水性聚氨酯木器涂料的研制
随着人们环保、能源意识的增强 , 特别是各国环保法对涂料体系中有机挥发物含量的严格限制 [1,2] , 以水性涂料为代表的低污染型涂料得到了发展 . 水性聚氨酯涂料将聚氨酯涂膜的硬度高、附着力强、耐磨蚀、耐溶剂性好等优点与水性涂料的低VOC 含量相结合 , 由于聚氨酯聚合物具有裁剪性 ,采用分子设计原理 , 结合新的合成和交联技术 , 能有效控制涂膜聚合物的组成和结构 , 使水性聚氨酯涂膜性能相当于甚至优于传统溶剂型涂料 , 成为发展最快的涂料品种之一 [3 ,4] . 本文通过考查树脂乳液、共溶剂及其添加量、润湿剂、消泡剂等对涂膜光泽、硬度等性能的影响 , 采用正交试验优选最佳的水性木器涂料配方 .
1 试验部分 1 . 1 试验试剂 水性聚氨酯乳液 PU 1 、 PU 2 、 PU 3 和 PU 4 , 工业品 , 捷利康 公司生产 ; 二乙二醇乙醚 , 化学纯 , 进口试剂 ;N 甲基吡咯烷酮 , 化学纯 , 中国医药上海化学试剂公司 ; 乙二醇丁醚 , 化学纯 , 广州市华友高科技公司化工经营部 ; 异丙醇 , 分析纯 , 广州新建精细化工厂 ; 丙二醇丁醚醋酸酯 , 化学纯 , 广州试剂厂 ; 二乙二醇乙醚醋酸酯 , 化学纯 , 广州试剂厂 ; 三乙胺 : 分析纯 , 广州试剂厂 ; 润湿剂 1 和 2 , Tego 公司 ; 润湿剂 3和 4 , B YK 公司 ; 消泡剂 1 , Tego 公司 ; 消泡剂 2 ,Tego 公司 ; 消泡剂 3 :B YK 公司 ; 增稠剂 SN : 汉高化工有限公司 . 1 . 2 试验仪器 高速剪切分散机 , 德国进口原装 ( Heidolp hR ER 2101 ) ; 光电光泽度计 , 福建泉州光学仪器厂(WGG- 60 ) ; 摆杆阻尼试验仪 , 天津市材料试验机厂 (Q HB 型 ); 真空干燥箱 , 上海精宏试验设备公司(D ZF- 6050 型 ); 旋转粘度计 , Brookfield 公司(Brookfield DV-II + ) ; 电子天平 , 上海天平仪器厂(HAN GPIN G J A 2003 ) ; 红外光谱测定仪 , PE 公司(SPECTRUM 2000 ) ; 漆膜冲击试验器 , 天津市材料试验机厂 (QCT) . 1 . 3 原理及配制过程 要配制性能优异的聚氨酯分散体涂料 , 必须了解聚氨酯分散体的结构与性能的关系 [5] . 首先 , 聚氨酯的软段是多元醇类型 , 通常聚酯可以提供良好的耐候性、耐磨性、耐化学性及韧性 . 聚碳酸酯的情况类似于聚酯 , 另外还具有良好的水解稳定性及耐污染性 . 而聚醚分两种类型 , 一种是由聚环氧丙烯(PPGS) 制得的聚醚可提供好的柔韧性、弹性和罐内稳定性 , 它们的耐候性不如聚酯好 . 另一种聚四氢呋喃聚醚所制得的水性聚氨酯的性能全面地优于PPGS 型的性能 , 但氧化稳定性较差 . 它们几乎都能达到由聚酯及聚碳酸酯制得的水性聚氨酯的性能 . 其次 , 所用的异氰酸酯的类型对聚氨酯分散体性能也有影响 . 脂肪族异氰酸酯可以改善漆膜的水解稳定性及耐紫外光性能 , 不会变黄 . 芳香族异氰酸酯可提供坚韧性 , 但漆膜暴露在紫外光中会变黄 . 第三 , 主链上的离子类型 . 主链上的离子基团可决定 p H 值的范围 , 必须避免使用硬水或任何含二价或高价离子的物料来配制涂饰剂 . 第四 , 颗粒大小 . 细颗粒有助于成膜而且能提供高光泽 . 大颗粒则在浸渍过程中有利于沾上漆 . 第五 , 玻璃化温度 . 玻璃化温度直接关系到最低成膜温度和聚结成膜的要求 . 配制过程 : 先称取规定量的树脂乳液 , 然后将规定量的润湿剂、蒸馏水、共溶剂和蜡分散液 , 再加入适量消泡剂 , 在搅拌的情况下加入到树脂中 , 分散机的转速为 300 ~ 500 r/min , 搅拌 15 min 后 , 中间加入增稠剂 , 完全分散后 , 再将转速调至 100 r/ min 进行慢速消泡 5 min , 即可以得到水性聚氨酯清漆 产品 . 在配制过程中 , 为了调整 p H 值 , 避免在刷涂时的锈蚀现象 , 可以在搅拌的过程中加入三乙胺 . 1 . 4 分析与测试 涂膜光泽采用 GB/ T 1743 — 79 ( 89 ) 清漆光泽测定法 ; 硬度采用 GB/ T 1730 — 93 涂料硬度测定法 ; 粘度采用 GB/ T 1723 — 93 涂料粘度测定法 ; 耐冲击性采用 GB/ T 1732 — 93 涂料耐冲击性测定 ; 红外分析采用 PER KIN EL M ER 公司的 SPEC - TRUM 2000 红外光谱测定仪 . 2 试验结果与讨论 2 . 1 树脂种类对涂膜性能的影响 在相同的配方下配制不同树脂乳液的涂料 , 检测涂膜的性能 , 结果列于表 1 . 表 1 树脂乳液对涂膜性能的影响 在选择树脂的时候 , 主要是考虑其性能与价格的比例 , 表 1 说明从乳液的各项性能来看 , 采用 PU 1 配制的涂膜的性能比较好 , PU 1 的价格比较便宜 , 故选定聚氨酯树脂为 PU 1 . 2 . 2 共溶剂的影响 选用共溶剂包括乙二醇丁醚、丙二醇丁醚醋酸酯、二乙二醇乙醚、二乙二醇乙醚醋酸酯、异丙醇和一甲基吡咯烷酮等 , 采用相同配方配制水性 PU 涂料 , 检测涂膜性能列于表 2 . 共溶剂的添加量对涂膜 性能的影响列于表 3 . 表 2 共溶剂对水性聚氨酯乳液涂膜性能的影响 由表 2 看出 , 采用乙二醇丁醚和二乙二醇乙醚为水性 PU 涂料的共溶剂时 , 涂膜的综合性能比较好 , 只是乙二醇丁醚这类衍生物的毒性较大 , 不宜大量使用 , 故采用二乙二醇乙醚作为共溶剂较适宜 . 表 3 共溶剂的添加量对水性聚氨酯乳液涂膜性能的影响 表 3 说明光泽随着共溶剂的添加量的增加而增加 , 当共溶剂的添加量超过 10 % 时 , 光泽反而下降 ; 硬度的变化规律和光泽的变化规律一样 , 因为共溶剂的添加量过多时 , 会长期残留在涂膜中 , 影响涂膜的性能 . 因此选用共溶剂的添加量为 5 % ~ 10 %. 2 . 3 润湿流平剂的影响 用不同的润湿剂以 0 . 3 % 的添加量来研究润湿剂对木器涂料涂膜性能的影响 , 试验结果列于表 4 . 表 4 润湿流平剂对水性聚氨酯乳液涂膜性能的影响 表 4 说明当用量相同时 , 润湿剂 1 的润湿流平性优于其他润湿剂 ; 两种润湿剂复配可以相互促进 . 因此选用润湿剂 1 . 2 . 4 消泡剂的影响 研究 B YK 公司和 TEGO 公司的消泡剂对涂膜外观的影响 , 试验结果列于表 5 . 表 5 消泡剂对水性聚氨酯乳液涂膜性能的影响 从表 5 可以看出 , 消泡剂 1 的消泡时间很长 , 而其他两种消泡剂的消泡时间要短得多 . 但在实验时发现 , 虽然后面两种消泡剂从表面上看已经完全消泡 , 可在刷涂的时候在铁片上仍然有针孔状的气泡 , 而消泡剂 1 虽说表面上还有一些小泡 , 可在刷涂的时候润湿性很好 , 几乎没有泡 . 综合了光泽度的考虑 , 最终仍然选用消泡剂 1 . 用量为 0 . 01 g ( 已配成 10 % 的水溶液 ). 2 . 5 最佳配方的优选 根据以上的试验结果 , 采用正交试验优选高光涂料的最佳配方 . 正交表的因素水平表列于表 6 , 试验结果与分析列于表 7 . 表 6 正交实验的因素 - 水平表
表 7 正交试验结果与分析
水性木器涂料的涂膜光泽和硬度是两个重要的指标 [ 5 ] , 经过大量探索性实验 , 在分析正交实验的综合评分时 , 光泽所占的权重为 60 % , 硬度所占的权重为 40 % , 所得的实验结果比较好 . 其中光泽的评分标准如下 : 60 % ~ 65 % , 40 分 ; 65 % ~ 70 % , 50 分 ; 75 % ~ 80 % , 70 分 ; 80 % ~ 85 % , 80 分 ; 85 % ~ 90 % , 90 分 ; 90 % 以上 , 100 分 . 硬度的评分标准如下 : 0 . 1 ~ 0 . 2 , 40 分 ; 0 . 2 ~ 0 . 3 , 60 分 ; 0 . 3 ~ 0 . 4 , 80 分 ; 0 . 4 ~ 0 . 5 , 90 分 ; 0 . 5 以上 , 100 分 , 得到结果如表 7 所示 . 从正交试验表的极差分析得出 A = D > B > C , 对涂膜性能影响最大的是 A 和 D, 即润湿剂和增稠剂 , 其影响大致相等 ; 其次是 B , 即共溶剂 ; 最后是 C , 即消泡剂 . 得出的最佳配方是 A 3 B 3 C 2 D 2 . 然后就正交试验表得出的最佳配方试配 , 测出各项性能与正交表中性能最好的第 6 号相比较 , 如表 8 所示 . 表 8 优选配方与 6 号的性能比较 从表 8 中数据可以看出 , 由正交试验表得出的优选配方的确性能比较优异 , 外观很好 , 硬度和光泽也达到了基本要求 . 对最佳配方的聚氨酯清漆用红外光谱表征如图 1 所示 . 图 1 水性聚氨酯涂料的红外光谱图 图 1 中 3 340 ~ 3 400 cm -1 和 1 535 ~ 1 555 cm -1 为 — N H 的特征峰 , 1 600 , 1 580 , 760 和 700 cm -1 为苯环的特征峰 , 说明该乳液是以 TDI 多异氰酸酯原料合成的 , 700 cm -1 为苯环单取特征峰 , 700 cm -1 处的峰面积较大 , 说明该乳液为苯乙烯改性聚氨酯乳液 , 乳液硬度和耐水性较好 , 且成本 较低 . 3 结 论 研究了影响水性木器涂料性能的各种因素 , 利用正交实验优选了最佳配方 , 即润湿剂 w = 0 . 30 % , 共溶剂 w = 5 % , 消泡剂 w = 0 . 02 % , 增稠剂 w =0 . 04 %. 配制的水性聚氨酯木器清漆涂膜具有较高的光泽、硬度和较好的装饰性能 . |