水性木器涂料配方体系设计原则

八戒 · 发表于 2007-9-28 08:55:19

前言

随着各国环保法规对VOC限制及对环保的重视，人们环保和健康意识的增强，我国《室内用水性木器涂料》化工行业标准也已编制完成，溶剂型木器涂料受到前所未有的挑战，水性木器涂料应运而生，并成为众多科研单位及涂料生产企业追逐的热点。水性木器涂料以水为主要稀释剂，无刺激性气味，不含游离TDI、苯及苯类衍生物有害物质，健康环保，有异于传统的溶剂型木器涂料。

下面针对水性木器清漆配方体系，阐述水性木器涂料的配方设计构思。

1 水性木器涂料的配方设计

水性木器涂料是一个特殊的分散体系，是配方中各种助剂受控相容性的原理分散于体系中，不是分子级的体系。其配方体系是一个非常复杂的体系，要对其配方中所用水性树脂及各种助剂进行合理选择，并要考虑到各种成分之间的相互影响以及生产工艺操作难易进行合理匹配。有时还要选用一些特殊的添加剂才能获得较好的综合性能，并要根据不同的用途来挑选各种助剂来配制成不同性价比合适的配方。

1.1 水牲树脂的选择

水性木器涂料配方中的成膜基础是聚合物乳液或分散体，一般占体系的80%以上，甚至在90%以上，其应用是直接关系到该配方综合性能好坏。由于水分散树脂的固体分比较低，一般在30%-50%，配方设计时应尽可能提高水性树脂的用量，使该体系中的有效成膜物质的含量尽可能多一些，这样才能保证制成的涂料一次性涂装时，涂膜中固体分含量高一些，有利于提高涂膜的丰满度。同时，在水性树脂的选择方面还考虑到各种类型水性树脂的性价比，同类型或采用不同的聚合技术合成的水性树脂的性能都各有千秋，价格也有所不同，因此，配方设计过程中必须根据实际的用途来挑选性价合适的水性树脂。

目前已成功应用于水性木器涂料的树脂类型主要有水性醇酸、丙烯酸乳液或分散体、水性聚氨酯分散体及水性丙烯酸聚氨酯分散体。表1是常见的水性木器树脂的特性比较。

1.2 助剂的选择

水性木器涂料是以水为介质的分散体系，水的表面张力很大，为72mN/m，为了降低体系的表面张力要加入一定量的基材润湿剂，使得体系易于起泡和稳泡。在溶剂型木器涂料中出现的病态和缺陷在水性木器涂料也同样会出现，给配方设计增加了一定程度的难度。同时，还要考虑各助剂之间匹配的长期稳定性以及各助剂本身的耐水性。因而，在水性木器涂料中助剂的选择及应用要慎之又慎，也是配方综合性能好坏的重要因素。水性木器涂料中常用的助剂为成膜助剂、消泡剂、基材润湿剂、流变助剂(增稠剂)、表面控制助剂、消光剂等。

1.2.1 成膜助剂

成膜助剂是水性木器涂料助剂添加物中最为重要的成分之一，其直接影响水性木器涂料干燥、初期的耐水性、低温施工成膜性以及储藏稳定性(热稳定性和冻融稳定性)等因素，选好成膜助剂与水性树脂的搭配是水性木器涂料配方成型的基石。好的成膜助剂是必须具有环境安全、添加量少、干燥快以及最有效的降低水性树脂的最低成膜温度的特性，但如果使用单一的成膜助剂，体系很难通过稳定性指标。因而，常常通过两种或两种以上的成膜助剂来搭配，也可根据成膜助剂在水相中的分配系数和聚合物中的分配系数的不同比例来达到体系的低温成膜性和稳定性的平衡，所以成膜助剂的类型和用量必须要根据体系中水性树脂的类型、最低成膜温度、与体系各成分的相容性以及施工的宽容性来确定。

表1 用于木器涂料的主要水性树脂特性比较

树脂种类	主要特点
丙烯酸	硬度高，干燥快，打磨性好，可自交联，价格较低，但韧性，耐磨性稍差，一般需较多助溶剂
核壳结构丙烯酸	颜料润湿佳，可低温成膜，减少成膜溶剂，耐候性佳，抗粘连性好
水性聚氨酯	耐磨性、硬度、流平性、丰满度、柔韧性以及抗化学性等性能相对优异，可交联性，性能优异者价格相对较贵
丙烯酸聚氨酯(共聚物)	耐候性较好、对颜料润湿性好，还具有聚氨酯分散体的高光泽、高丰满度，高耐磨性以及抗化学品性好等特点，价格适中
丙烯酸聚氨酯(冷拼)	选择多样化，综合丙烯酸和聚氨酯的特性，可单双组分，性价比调节范围大，可降低溶剂用量，调节成膜性能，但须考察相容性、稳定性等因素
水性醇酸	流平好，丰满度好，但干燥慢，硬度及耐化学性能差

八戒 · 发表于 2007-9-28 08:55:49

水性木器涂料的成膜助剂一般为醇醚类型的溶剂，最为常用的是二乙醇醚类、丙二醇醚类以及N-甲基吡咯烷酮等成膜助剂，并具有高低沸点之分。水性木器涂料在夏季施工时，水分挥发较快，即表干相对过快，有部分水分可能会在未干透之前封闭在涂膜内，导致涂膜发白或是流平不好的弊端。因而，可通过添加少量适当而合适的高沸点溶剂来延缓涂膜的干燥速度，延长涂膜的开放时间，改善其施工性能和涂膜外观。在冬季里，由于气温较低，水性木器涂料的干燥速度较慢，也即水的挥发较慢，但成膜助剂相对比水挥发快一些，或许部分与水一起蒸发，使水性木器涂料不能形成致密的涂层，导致水性木器涂料的涂膜存在发白和开裂的现象。所以添加成膜助剂时，一定要考虑克服水性木器涂料在不同季节的施工性，同时还要考虑其尽可能干燥速度快一些，这也是水性木器涂料最难的技术要点，尤其是Tg较高的丙烯酸分散体更是难解决的问题。因此，多种成膜助剂来搭配是最好的选择。由表2可以看出助溶剂对涂膜性能的影响。

由表2可以看出，在配方其他方面相同的情况下，不同的助溶剂对涂膜的早期硬度以及干燥后的其他性能都有影响。

1.2.2 消泡剂

消泡剂是水性木器涂料中最难控制消泡与流平达到平衡的助剂之一。水性木器涂料由于是以水为分散的特殊体系，其气泡的根源是大量多种类型的表面活性剂，在生产和施工过程中都极容易产生泡沫且稳泡。

表2 助溶剂对水性木器涂料性能的影响

项目	w/%
项目	配方1	配方2	配方3	配方4
水性丙烯酸聚氨酯共聚体	86	86	86	86
消泡剂	0.8	0.8	0.8	0.8
基材润湿	0.3	0.3	0.3	0.3
乙二醇丁醚	8	-	3	8
二乙二醇丁醚	-	-	3	-
二丙二醇丁醚	-	-	-	2
Texanol	-	2	-	-
水	6	6	7	6
增稠剂	0.2	0.2	0.2	0.2
摆杆硬度/s
1d后	102	35	81	107
3d后	130	60	122	118
7d后	154	90	146	150
60°光泽	89	-	-	90
耐化学性(5级最好)
乙醇(50%)，1h	5	-	4-5	4-5
氨水(12，5%)，1h	2	-	1	1
油脂(24h)	4-5	-	5	3
水(16h)	5	-	5	5
咖啡(16h)	5	-	4-5	4-5
丙酮(10s)	2	-	1	0

注：7d/23℃，湿度65%。

消泡是配方设计过程中不可忽略的因素，消泡剂的消泡机理是通过润湿渗透到由体系产生的泡沫薄膜上且不断要在薄膜上扩散，使泡沫薄膜的表面张力不平衡而破泡。一般来说，消泡剂分为抑泡剂和破泡剂两种，抑泡剂的作用是抑制水性木器涂料在外力的作用下泡沫产生，而破泡剂主要是在已生成泡沫膜的表面迅速散布，破坏气泡的弹性膜，使之破裂，但常常两种搭配使用效果比较好。

目前市场上已有很多消泡剂，其选择要非常谨慎，可以从几个方面加以注意：

(1)受控相容性，即是要达到消泡和表面效果的平衡，既要消泡，又要防止缩孔、流平性差等缺陷。

(2)根据施工条件和方法进行消泡，例如刷涂、喷涂以及辊涂面临不同的起泡程度，也意味着不同的消泡剂选择。

(3)抑泡和破泡的平衡，可根据不同加工和施工方式，合理搭配。

(4)长效消泡性能，尤其在建筑装修涂料(DIY)市场。

当然，水性消泡剂选定的类型和用量必须根据不同的体系，通过实验来确定。表3是常用消泡剂的种类、特点及应用。

1.2.3 基材润湿剂

水性木器涂料是水分散的体系，水的表面张力大，要使其在不同基材施工形成平整的涂层，必须要用润湿流平剂来改善，这也是水性木器涂料解决施工宽容性之一。

理想的润湿剂应当包含以下几个方面：

(1)有效降低体系的表面张力能力，改善其对基材的润湿性和渗透性。

(2)尽可能低起泡性、稳泡。

(3)尽可能低的水敏感性。

(4)不影响层间附着力。

(5)良好的表面张力平衡，既能提高基材润湿，又不因过度降低表面张力而影响流平或产生缺陷。表4是基材润湿剂主要种类、特点及应用。

八戒 · 发表于 2007-9-28 08:56:20

1.2.4 流变助剂(增稠剂)

流变助剂，也称增稠剂，是水性木器涂料的涂膜能有镜面的表面效果不可忽略助剂之一，其主要功能表现在：

(1)满足施工需求，提供不同施工剪切条件下的流平和流挂的平衡，例如使涂刷后的漆液能尽快流平，减少刷痕，辊涂减少飞溅等。

(2)提供静态黏度，防止固体分的沉降。

(3)提高水性木器涂料的涂膜的丰满度。

表3 常用消泡剂的种类及特点

种类	特性	应用
矿物油	抑泡能力强，价格低，但体系相容性差，易迁移	底漆，哑光
有机硅类	消泡能力强，但价格较高，不同产品性能差别大，调整空间大，但选择不当易造成涂膜缺陷，影响光泽，流平等	各类涂层
非硅非油类	安全性好，缺陷可能性小，不影响光泽，但用量稍大，破泡能力不足，成本较高	各类涂层，尤其在高光面漆广泛应用

表4 基材润湿剂主要种类、特点及应用

种类	特点	应用
传统表面活性剂(阴离子或非离子为主)	耐水性差，易起泡及稳泡，但价格便宜	腻子和低档次的体系
氟碳聚合物	高效，尤其降低静态表面张力，对污染底材效果好，但易引起表面问题，不易控制，价格高	非常难附着底材以及污染底材
改性聚硅氧烷	润湿效果、抗起泡和抗缩孔及耐水性较好	广泛适应性，普通应用
非硅非氟类	将缺陷可能降到最低，不影响层间附着力，低水敏感性，低起泡，动态效果好，价格昂贵	各种涂层

流变助剂从性能上可分为高、中、低三种剪切黏度的类型：低剪切黏度的流变助剂能够提供罐内黏度，防止颜料沉降，并有效的控制漆液在立面作业时产生的流挂；提供中高剪黏度的流变助剂能很好的提高水性木器涂料的丰满度和流平性，而专用提高高剪切黏度的流变助剂则帮助流平、防止飞溅以及提高辊、刷涂施工性能。

所以，流变助剂的种类和用量必须根据施工的要求及体系来选定，一般根据施工方法的不同来选定流变助剂类型，往往通过三种剪切黏度的流变助剂来搭配才能达到所需施工效果。表5是主要流变助剂种类、特点及应用。

聚氨酯缔合型增稠剂是目前在水性木器涂料中应用最广泛的，但是该类增稠剂在水性木器涂料体系中的选定与配方中其他成分有密切的联系。如增稠效果与水性木器涂料中的聚合物颗粒大小和疏水性以及助溶剂有很大的关系，如果水性木器涂料中的聚合物颗粒越小，越疏水，以及助溶剂在聚合物中的分配系数越高，其增稠效率就高，否则该类增稠剂添加很大量都没达到所需的黏度。同时，建议用水稀释后，在合理的剪切力下加入，否则也有可能与体系发生絮凝，产生颗粒。

表5 主要流变助剂种类、特点及应用

种类		特点	应用
纤维素		水系增稠，效率高，但耐水性不好，容易被微生物降解，发霉发臭，且与体系增稠后的触变性强，流平性不佳	在水性木器涂料体系一般不用
丙烯酸碱溶胀型		对pH值敏感，涂膜的致密性相对好一些，并可以提供中、低剪切黏度，可以防止涂膜流挂，有效地防止沉降，轻微影响光泽，但使用不当易与体系发生絮凝，产生颗粒	需要高的罐内黏度，或要求强触变防流挂的场合。一般用于水性木器底漆和抗粘联面漆
聚氨酯缔合型增稠剂	假塑性	耐水性好，涂膜的致密性好，几乎不影响光泽，提供低剪切黏度，防止流挂	协同使用，可以提供高、中、低的剪切黏度的平衡，流平好，与少量的丙烯酸碱溶涨型增稠剂搭配效果更佳。广泛应用于水性木器面漆
	牛顿/ICI黏度	对水敏感性低，涂膜的致密性好，几乎不影响光泽，能有效的提高一次性涂刷的涂膜厚度，提供流平及抗飞溅

八戒 · 发表于 2007-9-28 08:57:10

1.2.5 表面控制助剂

表面控制助剂的种类和作用包括：①改善流动和流平；②降低摩擦系数，增滑；③增强抗划伤能力；④抗粘连；⑤增强哑粉等的排列；⑥特殊手感，如柔感等；⑦其他，如改善涂膜的耐水性、耐污性等。

它们一方面通过均衡干燥过程的表面张力，实现均匀干燥和流动，降低表面粗糙；另一方面在干燥过程中集中在表面，形成光滑涂膜，增加滑度和其他特殊性能。

这类助剂主要有两种：

(1)有机硅：这类表面控制助剂，添加量很少就能很有效的提高涂膜的抗刮耐磨性等性能，一般与体系的相容性差，如果选择不当，往往会影响涂膜的光泽度及涂膜层间的附着力。

(2)蜡乳液，例如棕榈蜡和聚乙烯蜡：一定程度影响涂膜的光泽度，这与其的粒径大小及分布有关，添加量相对比较大才明显改善涂膜的表面效果。

采用两种类型的表面控制剂搭配效果更佳，但以下几个方面要非常注意：①是否严重影响涂膜光泽度；②对层间的附着力的影响；③稳泡性评估；④体系的储存稳定性。

1.2.6 消光剂

消光剂是用来调控水性木器涂膜光泽度的添加剂，以满足当今市场哑光漆主流产品广泛需求。消光剂的消光机理是能有序地排列在涂膜表面，使涂膜表面凹凸不平，造成照在涂膜表面的光线漫反射，从而达到消光的目的。表6是主要的消光剂种类及特点

水性木器涂料中应用的树脂固含量比较低，制成水性木器涂料的有效成分不高，加上是分散体系，因而水性木器涂料的消光比较容易，但不同水性树脂体系的消光难易都不一，一般丙烯酸乳液比水性聚氨酯分散体相对较好消光，但在防沉降性能方面比水性聚氨酯分散体系好一些。

所以消光粉的选定必须要考虑其在不同的体系和用途来评定。消光剂尽能选定其的折射指数与水性树脂的折射指数相近，减少对涂膜的透明度影响，同时，还要考虑其在体系中的消光效果、分散性、防沉性及手感。

1.2.7 防腐剂

水性木器涂料是水基体系，在生产过程中较易带入细菌，在储藏过程中都较易被微生物降解，因而，在配方设计时应适当添加防腐剂的类型和用量，防止体系和涂膜的腐败。从环保的角度考虑，应使用较低毒的防腐剂，另外还要注意与体系的匹配性，以及在添加时必须用水稀释后方可，否则，会与体系发生絮凝及不良的现象。

表6 主要的消光剂种类及特点

类型		特性
有机消光剂(合成蜡)		不仅可以消光，还可以增加涂膜的表面光滑度、增强手感以及防沉降性好，但是往往这类消光剂会影响涂膜的透明度较大，甚至会影响涂膜的层间附着力
无机消光剂(气相二氧化硅)	有机物表面处理	分散性、防沉降性和涂膜手感等性能好
	无表面处理	透明度较好

1.2.8 其它助剂

水性木器涂料有必要时还可能要调pH值，一般水性木器涂料的pH值略偏于碱性，为7.5-8.5，但不同的体系的pH值的要求都不一样，所以，水性木器涂料的pH值是根据体系的不同来调整，同时要考虑与配方中防腐剂的匹配。还要注意的是添加时必须用水以倍数来稀释，以免引起体系产生颗粒。

2 水性木器清漆性能举例

表7是一个水性木器半哑清漆的性能实例。

表7 水性木器清漆性能实例

项目	性能
外观	白色，乳液状
黏度/(mPa·s)	20
比重/(g/L)	1.058
固含/%	37.84
细度/μm	20
pH值	7.58
光泽(60°)/%	50
铅笔硬度	≥HB
表干/(23℃，湿度65%)/min	≤35
实干/(23℃，湿度65%)/h	1-1.2
干膜外观	透明，平整光滑优，无明显刷痕
施工性(刷涂)	无气泡残留
稳定性(50℃/7d)	好，黏度稍有上升
附着力(2mm)/级	0
抗粘连(压紧，50℃/4h)	无粘连
耐水性(24h)	无变化
耐沸水性(15min)	无变化
耐碱(12.5%氨水，1h)	轻度失光
耐乙醇(50%，1h)	轻度失光
耐醋/绿茶(1·h)	无变化
耐干热性[(70±2)℃，15min]	无变化

注：性能测试，参照化工行业标准《室内水性木器涂料》。

3 结语

水性技术是木器涂料适应环保需求的主要解决方法，它是一种新型的技术，逐步成熟起来。由于其独特的性能和诸多的影响因素，从产品生产到施工、涂膜物化性能的控制均与传统溶剂型木器涂料有一定的差异。在配方设计时，必须遵循水性的独特规律。针对地选定好水性树脂，并尽可能用量多一些，这样才能减低水性木器涂料涂膜丰满度差的问题，然后，选择好相匹配各种助剂，且尽可能品种少、添加量小，这样才能获得满意的综合性能。