1 前言
随着人们环保、能源意识的增强 , 特别是各国环保法规对涂料体系中挥发性有机化合物 (VOC) 含量的严格限制 [1 -2] , 促进了以水性涂料为代表的低污染型涂料的发展。水性木器涂料品种主要有水性醇酸漆、丙烯酸水分散体涂料、聚氨酯水分散体涂料和双组分聚氨酯涂料等。水性醇酸漆在贮存过程中会水解 , 钴催干剂与乳液中含有的乙氧基非离子表面活性剂、胺及颜填料等形成络合物 , 降低涂膜的干燥速率 ; 丙烯酸水分散体涂料的外观和耐化学性较差。高性能和低 VOC 含量相结合的水性聚氨酯涂料 , 由于聚氨酯分子具有裁剪性 , 结合新的合成和交联技术 , 可以有效控制涂料的组成和结构 , 使水性聚氨酯涂膜性能达到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] 。本文介绍采用水性聚氨酯分散体和丙烯酸乳液复配制备的性能优异的水性木器涂料。
2 实验
2. 1 实验用原材料
水性聚氨酯分散体 PU -1 、 PU-2 、 PU -3 及丙烯酸乳液 AK-1 、 AK-2 和 AK-3 等为工业品 , 皆为捷利康公司产品 ; 二乙二醇乙醚和 1 - 甲基 - 吡咯烷酮 , 工业品 , 中国医药 ( 集团 ) 上海化学试剂公司生产 ; 异丙醇和丙二醇丁醚醋酸酯为工业品 , 广州试剂厂生产 ; 二乙二醇乙醚醋酸酯 , 工业品 , 广 州新建精细化工厂生产 ; 润湿剂 W-1 和 W-2 为 Tego 公司产品 ; 润湿剂 W-3 和 W-4 为 B YK 公司产品。
2. 2 水性木器涂料的配制
先称取定量的润湿剂、蒸馏水、共溶剂和消泡剂 , 在混合器中搅拌均匀 , 然后在不断搅拌的情况下加入配方量的树脂分散液 , 搅拌均匀后再加入增稠剂调整粘度 , 用稀氨水调节涂料的 pH 值 , 当涂料粘度、固含量和 pH 合格后 , 出料 , 过滤包装。
2. 3 分析与测试树脂结构采用傅立叶红外光谱仪 (Perkin -Elmer spec 2 trum -2000 , KBr 压片 ) 分析 , 测定范围 400 ～ 4000 cm -1 。
按 GB 1730 -93 测试涂膜硬度 ; 按 GB1733 -93 测试涂膜耐水性 ; 按 GB1720 -93 测试涂膜附着力 ; 按 GB 6753. 3 -86 检测涂料的贮存稳定性。
2. 4 涂膜性能
水性聚氨酯木器涂料性能见表 1 , 表 1 还列出了溶剂型聚氨酯木器清漆的涂膜性能。
表 1 水性聚氨酯木器涂料性能
3 结果与讨论
3. 1 红外光谱分析
图 1 为聚氨酯丙烯酸共混乳液的 FTIR 谱图 , 谱线 1 中 3340 ～ 3400 cm -1 和 1535 ～ 1555 cm -1 为 -NH 的特征峰 , 1600 cm -1 、 1580 cm -1 、 760 cm -1 和 700 cm -1 为苯环的特征峰 , 说明该乳液是以 TDI 为多异氰酸酯原料合成的。谱线 2 中 3340 ～ 3400 cm -1 处无峰 , 说明该乳液不含或含少量的极性羟基或氨基 ,1740 cm -1 为酯羰的特征峰 ,700 cm -1 和 760 cm -1 为苯环的特征峰 ,841 cm -1 为丙烯酸单体共聚特征峰 ,1200 ～ 1100 cm -1 处有较大的峰出现 , 说明含有大量的 C-O- 键 , 即酯基的碳氧键 , 表明该丙烯酸乳液为苯乙烯 - 丙烯酸共聚乳液。谱线 3 中 3340 ～ 3400 cm -1 、 1535 ～ 1555 cm -1 、 1734 cm -1 、 700 cm -1 和 760 cm -1 皆有峰出现 , 说明通过树脂共混使涂膜中既含有聚氨酯组分 , 又含有丙烯酸酯组分 , 使得改性的涂膜兼有聚氨酯乳液和丙烯酸乳液性能。
图 1 聚氨酯、丙烯酸及其共混乳液的红外光谱
1- 水性聚氨酯 ;2 - 丙烯酸乳液 ;3 - 共混乳液
3. 2 乳液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 , 结果见表 2 。
表 2 乳液种类对涂膜性能的影响
由表 2 可见 : 配 PU-1 的涂料涂膜综合性能最好 ; 配 AK-3 的涂膜硬度最大 ; 将 PU-1 和 AK-3 按质量比 1 ∶ 1 共混的涂膜外观、硬度较好 , 而且价格比 PU-1 便宜 , 故选定树脂 PU-1 和 AK-3 共混作为木器涂料的基料。
3. 3 共溶剂的影响
在选定乳液的基础上 , 考察共溶剂对涂膜性能的影响。试验选用的共溶剂有 : 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 1- 甲基 - 吡咯烷酮等 , 共溶剂新型建筑材料 7/ 2002 的添加量为 10 % , 试验结果列于表 3 。
表 3 共溶剂种类对涂膜性能的影响
由表 3 可见 , 采用 1 - 甲基 - 吡咯烷酮为共溶剂 , 其涂膜的光泽最高、涂膜流平性好 , 但因 1 - 甲基 - 吡咯烷酮的沸点高 , 挥发速度很慢 , 有部分溶剂残留在涂膜中起增塑剂的作用 , 降低了涂膜硬度 ; 异丙醇的挥发速度最快 , 影响涂膜的流平和外观。因此 , 综合考虑溶剂的挥发速度 ( 影响涂膜外观 ) 、溶解度参数 ( 影响涂膜光泽 ) 、溶剂的毒性和成本 , 选用丙二醇丁醚醋酸酯作为水性木器涂料的共溶剂。
3. 4 润湿剂的影响
润湿剂的作用是降低涂料和底材之间的界面张力 , 使涂料对底材具有良好的润湿性 , 改善涂料的流动性 , 延长流平时间。采用 TEGO 公司和 BYK 公司的润湿剂 W -1 、 W -2 、 W-3 和 W -4 , 添加量为 0. 2 % , 考查润湿剂种类对涂膜性能的影响 , 试验结果列于表 4 。
表 4 润湿剂种类对涂膜性能的影响
由表 4 可见 , 润湿剂 W-2 润湿流平效果最好 ,W-1 的性能也可以。试验中还发现 , 添加润湿剂 W-1 对涂膜的硬度和附着力影响较大 , 特别是涂膜的附着力对 W-1 的添加量较敏感 , 因此选用 W-2 较合适。
3. 5 正交试验结果与讨论
以上试验确定了水性聚氨酯木器涂料的基料树脂、润湿剂和共溶剂种类 , 采用正交试验优选木器涂料的配方 , 设计 3 因素 3 水平的正交试验 , 正交试验的因素 - 水平表列于表 5 。
表 5 正交试验的因素 - 水平表
注 : 共溶剂为丙二醇丁醚醋酸酯。
根据表 5 , 选用正交表 L 9 (3 4 ) 来安排试验 , 试验结果列于表 6 。表 6 中的综合评分是指涂膜各项性能的权重值 , 其中涂膜光泽所占的权重为 50 % , 硬度所占的权重为 40 % , 其它如涂膜附着力、耐水性等占 10 % ; K 为涂膜综合评分的平均值 ;
R 为涂膜综合评分的级差。
表 6 正交试验结果
由表 6 可见 :
(1) 最佳组合为 A 3 B 3 C 2 , 即 AK-3 ∶ PU -1 的质量比为 3 ∶ 7 , 共溶剂丙二醇丁醚醋酸酯的添加量为 10 % , 润湿剂 W-2 的添加量为 0. 2 % 的涂料性能最佳。
(2) AK-3 与 PU-1 的质量比对涂膜综合性能的影响最大 , 其次为共溶剂丙二醇丁醚醋酸酯的添加量 , 影响最小为润湿剂 W-2 的添加量。按照最佳的配方 A 3 B 3 C 2 配制涂料 , 检测涂膜性能 , 并与正交表中的第 6 号作比较 , 发现最佳配方配制的涂料其涂膜性能最好。采用最佳配方进行中试和试生产 , 产品性能优异 , 质量稳定 , 完全可代替溶剂型聚氨酯清漆。
4 结论
(1) 采用水性聚氨酯分散体和丙烯酸乳液复配制备水性木器涂料时 , 采用丙二醇丁醚醋酸酯为共溶剂和 W-2 为润湿剂配制的涂膜性能较好 , 通过正交实验优选了水性聚氨酯木器涂料配方。
(2) 性能测试表明 : 本文研制的水性聚氨酯丙烯酸复合木器涂料具有干燥速度快、硬度高和耐水性好等优点 , 完全可代替溶剂型聚氨酯木器涂料。 | |
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