新一代水性木器涂料用丙烯酸乳液的研究.docx

新一代水性木器涂料用丙烯酸乳液的研究.docx

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新一代水性木器涂料用丙烯酸乳液的研究

新一代水性木器涂料用丙烯酸乳液的研究

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当前全球工业家具涂料面临的挑战是既要遵循更严格的VOC限制条例，同时又要保持涂料的高性能和有竞争力的市场价格，开发具有高性价比的涂料用乳液很有必要。

涂膜外观对于透明清漆体系很重要。

除了对底材的保护作用，用于木器清漆体系的产品还必须保持木材的美观。

本文开发的新一代应用于水性木器涂料的丙烯酸聚合物，既可满足家具工业涂装要求，也可适合一般装饰装修市场需要。

在这些应用领域最重要的性能需求是:

快干，抗粘连性好，耐化学品性，良好的机械性能，耐干、湿热，硬度建立等，以及良好的湿膜和干膜外观。

聚合物的形貌设计和优化、单体组成、常温自交联技术是达到这些性能需求的关键因素。

同时在设计水性木器涂料配方时，要把这些突出性能表现到最终涂膜中。

1.专为水性家具涂料应用设计的丙烯酸乳液

水性丙烯酸分散体可被定义为分散在连续相中热塑性丙烯酸聚合物粒子。

相比传统溶剂型涂料系统，施工和干燥时的气味大为降低，施工工具容易用水或肥皂清洗。

经过特殊设计的水性丙烯酸聚合物干燥快速，使快速完工、施工区域的快速重涂，以及工业化施工中被涂货物马上堆叠和不粘连成为可能。

水性木器涂料的干膜性能、机械性能和耐久性都和聚合物分子量有关。

与其他水性或者溶剂型树脂不同，经过特殊设计的丙烯酸聚合物乳液的黏度与分子量没有直接联系。

这就使我们可以在乳液固含相对高的情况下合成低黏度高分子量的水性木器涂料用丙烯酸乳液产品。

下面介绍的聚合物乳液的粒径、形貌结构设计和单体组成等对清漆涂膜外观和透明度等表现有很大影响。

1.1粒径控制

不同于普通树脂，丙烯酸乳液聚合物的分散体粒子因光散射会造成涂膜未干前的白牛奶外观和不透明状。

光线散射程度依赖于粒径，大粒径比小粒径散射度更高，而使湿膜呈现更大的不透明度和牛奶状外观。

当丙烯酸乳液被用作制备色漆时，乳白状效果会被配方中的颜填料所掩盖。

然而在清漆或透明配方中，这会产生微黄／浅白色不透明的罐内效果。

当然配方中的其他组分也会对罐内颜色和透明度产生影响。

尽管无法完全避免，但乳白状和不透明的现象是可以通过降低粒径来改善的。

经验告诉我们，在聚合物粒径低干110nm时透明度改善，而90nm时的结果更是显而易见。

图1粒径对湿膜透明度的影响

如果客户有特殊要求，即涂料施工于底材后要马上看起来透明清澈，粒径还是对这种品质起关键作用。

低于90nm窄粒径分布的丙烯酸聚合物的湿膜透明性可以基本与溶剂型涂料相当。

图1显示了当特殊设计的丙烯酸乳液聚合物初次滴在和刷在木质基材上时，粒径对涂膜透明度的影响。

从左至右聚合物粒径范围从90nm上升到120nm。

很明显，施工于底材上大粒径的乳液更影响透明度；乳白色状态在刷涂时仍然持续。

更小粒径的乳液聚合物在施工时可以模拟溶剂型树脂的涂膜外观。

1．2聚合物形貌结构设计

我们期待聚合物乳液干燥后形成有着良好性能和外观的连续一致的膜。

成膜机理始于液相的挥发，接着粒子靠近开始堆积挤压，各个聚合物粒子互相渗透和扩散，这个过程通常称为粘合。

最终结果是形成完整的一层热塑性的聚合物膜。

图2聚合物分散体成膜过程

影响聚合物成膜性能一个重要因素是玻璃化转变温度，这和聚合物的单体组成密切相关。

而对于水分散体，Tg还决定着聚合物的最低成膜温度。

传统意义上的水分散体已不能满足日益趋紧的VOC法规限制，由此在过去几年中开发了形貌更复杂的丙烯酸聚合物以满足需求，图3是不同形貌结构的例子。

在聚合过程中对于聚合物形貌结构的直接控制为聚合物设计打开了一个新的领域。

通过对于聚合物粒子不同的形貌结构控制，可以在不牺牲涂膜表面性能的情况下，降低成膜助剂用量。

如对于硬核软壳的形貌来说，软壳可以降低成膜助剂用量，而硬核可以提供涂膜的刚性。

图3不同聚合物形貌结构

1．3自交联

溶剂型涂料的一个优点是成膜以后，由于化学交联而具有优良的抗性。

而对于水分散体涂料来说，涂膜的最终性能是通过热塑性聚合物链段的相互缠绕获得，所以就算改变聚合物组成以及聚合物颗粒形貌也往往不能获得满意性能。

在有些情况下，在水分散体涂料中引入化学交联可以大大提高性能。

这对于低Tg，或者低分子量的聚合物性能的提高更明显。

然而应当注意的是，在涂料贮存过程中，应尽量避免交联反应发生。

因为如果在贮存过程中发生交联反应，聚合物分子量增加，成膜时影响聚合物链段的缠绕，最终反而可能引起涂膜性能下降。

在聚合物组成中引入室温白交联技术已经被证明可以大大提高工业家具用高光色漆的性能。

室温自交联技术的机理是在聚合物链段上引入可反应基团，在涂膜形成以后，聚合物链段上的可反应基团发生化学反应，引起交联，这个过程通常需要几天。

室温自交联技术可以在减少溶剂用量的情况下，提高水性丙烯酸涂料性能，使得在保持水性涂料优点的情况下，性能接近溶剂型体系2.原材料选择及应用性能测试

2.1水性家具涂料的原材料选择

配方原材料的选择对于涂膜最终性能至关重要。

而其中，对于表观性能以及表面缺陷，消泡剂、润湿剂以及成膜助剂的选择是起决定性作用的。

我们测试了不同类型的消泡剂，其中大部分的消泡剂在湿膜中引起鱼眼现象，而在干膜中引起橘纹现象。

另外也观察到，就算是同一类型的消泡剂也会引起性能上的巨大变化，所以应该认真筛选消泡剂以选出最适合的。

通常在丙烯酸乳液中，乳化剂用量过高，对最终涂膜的耐水、耐化学性能有副作用，所以在整个配方中尽可能减少表面活性剂使用量。

这么低的表面活性剂用量又往往引起对基材的润湿问题，所以对润湿剂的选择也很重要。

一个好的润湿剂应当有以下几个特性:

提高对于多孔状基材的渗透能力，提高流平性，另外低泡。

由于用于水性木器涂料的乳液产品的Tg设计得比较高，所以在配方中还需要一定量的成膜助剂。

常见的成膜助剂都可以使用。

选择成膜助剂应该考虑成膜助剂在水和聚合物中的相容性以及挥发速度，如果成膜助剂在成膜过程中挥发过快，容易引起润湿性能差以及最终涂膜泛白。

如果成膜助剂挥发过慢，将导致抗粘连和打磨性能下降。

另外也应该优化成膜助剂用量，由于成膜助剂用量不足而引起的成膜不良会导致涂膜耐化学品性的下降。

2.2抗粘连性能对比

抗粘连性能对于工业涂料也是一个重要的参数，因为物件在涂膜后可能在干燥流程后短时间内堆积在一起，而此时这些物件的温度往往还不低。

我们对木器涂料用乳液产品的聚合物形貌结构进行了特殊设计，它同时提供了在低成膜助剂用量下的良好成膜性以及优异的抗粘连性。

抗粘连性是按照如下方法测试的:

胶合板的一面涂上清漆，闪干2min后，在70℃烘箱中干燥6min，取出冷却5min至大约30℃，然后涂有涂层的两面贴在一起，并施加0.102kg/cm2的压力，保持这个压力过夜。

图4抗粘连测试照片

将两块板分开后，评估粘连痕迹，并给出0～5的评分。

5意味着涂膜之间没有任何粘连，而0意味着两块板粘在一起。

从图5的结果对比中，可以看出新型的木器涂料用丙烯酸乳液的抗粘连性优于传统的丙烯酸乳液产品。

图5采用突破技术的木器涂料用丙烯酸乳液和其他普通产品的抗粘连性能比较。

2.3表观性能对比

木器清漆另外重要的一点是展现木材的天然温泽感。

通常溶剂型木器清漆会比较容易做到这一点，现在新一代水性木器涂料用乳液产品也可以做到。

水性木器清漆另外一点应该避免木材变色，特别是橡木制品易于变色，通过乳液成分的优化设计，本试验研究的水性木器涂料用乳液可以更多避免木材变色情况出现。

有时，水性体系容易在深色着色漆上产生雾影。

图6展示了各个体系刷涂在3种木材上的干膜表观性能。

评估值从0～5，5说明性能最好。

图6在不同木材上的透明涂膜表观性能比较

由比较可以看出，本水性丙烯酸乳液产品在表观性能上优于市场其他产品，包括丙烯酸/聚氨酯分散体。

2.4耐化学品性对比

耐家居化学品对于家装清漆至关重要。

这个测试也是在山毛榉胶合板上进行的，刷涂3道清漆，2道刷涂间隔之间放入50℃的烘箱10min，然后室温干燥2d。

结果见表1。

由表1可以看出，新开发的水性丙烯酸体系具有优异的耐化学品性，特别是具有优异的耐乙醇性能。

表1耐化学品性比较

注:

评判标准0～5.5:

最好。

2.5耐热性

耐热性是家装清漆重点考察的另外一个性能。

特别是用于桌面涂装时，通常需要表面涂层能耐得住热水壶和热水杯。

常见的耐热性不良的涂层，在与之接触的热源撤走后，出现泛白或者失光。

耐热性测试按照EN12721以及EN12722标准测试，测试基材也是在夹合板上，3道刷涂，每道刷涂之后放入50℃烘箱10min，室温干燥2d后，分别测试涂层的耐干热和耐湿热性能。

耐干热性能是通过将盛有85℃热水的铝制容器放在涂膜表面测试的。

而耐湿热测试是在铝制容器和涂膜之间又放入弄湿的纱布。

铝制容器放置在测试样品上15min后撤走，评估测试样品恢复24min后的情况，结果见图7。

由图7可见，本文中开发的水性丙烯酸体系具有优异的耐热性，在耐干热和耐湿热测试中，铝制容器撤走后，没有任何痕迹。

优异的耐热性通过优化的乳液形貌控制以及自交联技术获得。

图7耐湿热和干热性能测试

2.6硬度建立时间对比

木器涂料的硬度和硬度建立时间是表示涂膜机械强度的重要性能之一。

普通丙烯酸乳液技术因为VOC的控制和成膜性的要求，很难在聚合物的玻璃化温度和硬度之间获得好的平衡。

本新型水性丙烯酸乳液产品采用特殊设计的自交联技术，可以在保持配方低VOC的前提下展现良好的硬度和快速的硬度建立。

此可以图8的涂膜硬度和硬度建立比较中看出。

图8涂膜硬度和硬度建立比较

3.结论和建议

通过以上系列测试可以得出，乳液聚合物形貌结构的优化以及室温自交联等突破技术，赋予了新一代水性丙烯酸乳液产品体系优异的抗粘连性、耐热性、硬度以及其他的重要性能。

另外，精选的表面活性剂组合以及良好的粒径控制使得水性丙烯酸木器涂料体系具有良好的基材润湿性以及近似于溶剂型体系才有的温泽感。

选择正确的原材料与采用突破技术的水性丙烯酸乳液相配合，完全可以让我们生产出符合工业家具用或者一般装饰装修市场的水性木器涂料产品。