2023-05-25
 
水性双组分亮光白色面漆的研制与应用
2023年05月25日   阅读量:8087

国内木家具制品涂装市场,受国家法规以及各地环保政策的推动,在过去的两三年内进行了轰轰烈烈的“油转水”,水性木器涂料相比于传统涂料在VOC排放方面具备绝对优势,得到了极大范围的应用,且水性涂料的用量每年持续以较大比例的速度在增长。在不断发展的过程中,水性涂料自身存在的缺陷也暴露出来,尚不能满足木制品在涂装装饰性、表面保护性、功能性等方面的需求,尤其是在白亮光等高端木制品领域,水性亮光白涂料未占到一席之地。白亮光是中式传统家具中的经典款式,被广泛应用在板式家具上,因其靓丽崭新的色彩,得到消费者的青睐涂料在线coatingol.com。现有的水性双组分亮光白,在流水线机械化涂装时易形成痱子,成品率低,另外,其亮光丰满度效果易塌陷难持久。水性木器涂料适应各种涂装方式,降低VOCs的排放,符合消费者对于环保性的需求,是后续木器涂料的重要发展方向,对水性双组分亮光白色涂料的开发具有长远的意义。


1 实验部分


1.1 实验主要原材料


树脂:水性羟基聚氨酯分散体、水性羟基丙烯酸分散体、水性羟基丙烯酸乳液,科思创、万华化学、长兴化学;助剂:消泡剂、基材润湿剂、分散剂、流平剂、流变助剂、增稠剂,赢创、毕克化学、明凌、海明斯;固化剂:脂肪族聚异氰酸酯,科思创、万华化学;溶剂:醇醚溶剂、丙二醇二乙酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯,陶氏化学。


1.2 实验仪器及设备


高速分散研磨机,VMA-Getzmann;恒温恒湿箱,上海现代环境工程有限公司;往复式喷涂机、红外干燥线,Makor;桔皮仪,毕克化学;流挂仪、刮板细度仪,涂-4#黏度杯,广州标格达精密仪器有限公司;


玻璃量筒、电子天平、电子秒表,南京康洛达实验仪器有限公司。


1.3 基础参考配方及工艺


基础参考配方及工艺见表1和表2.

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表1配方中,除流变助剂是按有效分计算(通过减少水量实现100%)外,其他材料均按供应态计算。

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1.4 性能检测结果及检测方法


按照n(-NCO):n(-OH)=1.8的比例,将主漆和固化剂按100:25混合均匀,加入适量去离子水,调整至适宜的施工黏度(60s,涂-4),按照200g/m²的涂布量喷涂于UV底上,50℃红外干燥1h,室温干燥24h,50℃红外干燥36h,依据国标GB/T23999-2009及GB/T 3324-2017对涂料进行相关性能检测,如表3: 

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2 结果与讨论


2.1 水性树脂与固化剂的选择


水性树脂和固化剂是漆膜的主成膜物质,其决定了漆膜的物理性能,也在很大程度上决定了漆膜的装饰效果。实验中,为了平衡遮盖力、丰满度和干膜膜厚,我们预先设定主剂的颜基比为1:1,施工固含量≥45%。为了保证固化剂的手搅分散性,将固化剂按表2使用PMA/PGDA做70%开稀。水性树脂选择水性羟基聚氨酯分散体(A)、水性羟基丙烯酸分散体(B)、水性羟基丙烯酸乳液(C)三类,固化剂选择脂肪族聚异氰酸酯(HD-1)、低黏度脂肪族聚异氰酸酯(HD-2)、亲水脂肪族聚异氰酸酯(HD-3)三类,形成交叉测试项目,通过对比光泽以及表面效果(主观判定)确认涂料中树脂和固化剂的选用。实验中,我们设定NCO/OH值在1.5-1.9之间,施工配比保证施工固含量的一致性,为了更突显差异性,涂布量设定为两个十字300g/m²。


依据表4可见,水性羟基丙烯酸乳液与非亲水性固化剂的相容性不佳,而水性高羟丙烯酸/聚氨酯分散体与其相容性可被接受,可以搭配使用。A1与B2形成的板面痱子较少,HD-2与HD-3形成的痱子相对较少。A1、B3在高光泽方面表现最佳。选定A1与B3复配作为主成膜物质,HD-2与HD-3复配成HD-4作为固化剂。

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后续实验中,将B3与A1按固体份4:1复配依据参考配方及工艺制成主剂,搭配HD-3与HD-4固化剂,施工配比调整为主剂:固化剂:水=1005:25:25,按涂布量300g/m²和200g/m²两个梯度施工,板面效果如图1所示。


主剂配HD-3,左300g/m²,右200g/m²

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主剂配HD-4,左300g/m²,右200g/m²


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 图1 不同涂布量板面痱子分布情况


按图1所示效果图,亲水脂肪族聚异氰酸酯复配低黏度脂肪族聚异氰酸酯应用于水性双组分亮光白面漆中,可以有效减少痱子的形成。


2.2 基材润湿剂的选择


基材润湿剂的选择目标很明确:首重低表面张力,其次低泡倾向,兼顾流平性。实验中,在100份B3/A1的混合树脂中,添加0.5%的基材润湿剂,其他成分不加制成主剂。1800rpm分散15分钟主剂,通过观测不同时间点相同重量涂料在量筒内的体积变化来表征润湿剂的稳泡性;隔夜消泡后,通过表面张力仪测定表面张力。


从表5的结果分析可知,W3、W5、W6表现出较低的表面张力,W2、W4、W5表现出较好的低泡性,结合自消泡性(液面高度)和脱泡性(液内分界线)的表现,初选W2、W4、W5进行后续流平性的测试评定。

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后续实验中,主剂按NCO/OH=1.8复配固化剂,适量水,涂布量按200g/m²制板,漆膜室温干燥24h后,通过桔皮仪测定漆膜流平性。其中LW表征长波流平性,SW表征短波流平性,值越小流平性越好,DOI表征鲜映性,值越大鲜映性越高。

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依据表6流平性的数据,W4表现出较好的流平性数据,且其具有低泡性。由此选定W4与W5复配作为后续主剂的润湿剂,同时保证低表面张力的同时,兼顾低泡性和流平性。


2.3 增稠剂的选择


增稠剂的主要作用就是调整涂料的黏度和流动状态,使其满足储存性能、施工性能等要求。要完全满足这些要求,不是单一一支增稠剂或者单靠增稠剂就能解决的,往往需要同类别或同效果材料进行复配。此处增稠剂的选择,我们重点考虑对黏度的贡献以及对双组分涂料可使用时间的影响,可使用时间一般的指标是3-4h。实验中,我们将主剂黏度调整至60±5KU,按照主剂:固化剂:水=100:25:15的比例进行调配,通过测定室温下涂-4黏度的变化确认可使用时间的长短,测试结果如表7:

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从表7中测试结果可以看出,我们经常讲的高、中、低剪聚氨酯增稠剂跟流杯黏度贡献和可使用时间没有必然的联系,不同牌号的同类型增稠剂在同一个体系内的表现是不一致的,所以增稠剂的选用需要根据实际的涂料体系进行测试筛选。根据结果,首先选用H7并固定其添加量为0.5%,H7作为牛顿型高剪增稠剂对涂料的喷涂雾化和湿膜流平是有帮助,但过量添加会造成喷涂出枪难得问题。其次,选用H2作为黏度的调节增稠剂。当然,也可以使用H2+H5或者H2+H5+H7的组合,根据后续的测试结果或者不同的需求来调整。


2.4 流变助剂的选择


流变助剂是较大程度上调整液体流变特性的一类材料。单用情况下,尤其是无机类的流变助剂,对涂料的黏度及流变特性的改变较弱。但在与聚氨酯增稠剂复配使用时,可以达到1+1>2的互补效果。流变助剂主要关注抗流挂性能、可使用时间、流平性。抗流挂等级主要用来评估涂料调配后的抗沉降能力、遮黑边的能力和防堆边的能力。涂料本身的抗流挂能力过强,可能会影响漆膜的流平平整度,所以评估抗流挂性的同时需要同时兼顾流平性。在流变助剂对可使用时间影响的实验中,我们设定流变助剂0.5%的有效分添加量,观测罐内3天的50℃热储稳定性。依据结果,选择热储后状态最好的R3、R5、R7做后续的评估。R3对黏度的贡献小,对细度的影响小,所以暂时放弃R2。测试结果见表8:

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后续实验中,我们固定其他组分的比例,添加流变助剂有效分0.5%,测定流变助剂对涂料特性、可使用时间、流平性的影响。测试结果见表9、表10、表11:

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根据实验数据分析:膨润土抗流挂性能佳,但对光泽影响大,且对可使用时间影响巨大。气相二氧化硅抗流挂性能一般,略影响光泽,对可使用时间影响极小。另外,直接分散二氧化硅对细度有影响,确认使用时,建议提前做好砂磨浆或跟白色浆共砂磨。EVA蜡类流变助剂在抗流挂等级、可使用时间、流平性方面均有较佳的表现,对过程影响较小,有助于提高水性双组分涂料的施工稳定性[1]。


2.5 流平剂的选择


流平比较复杂,它既跟润湿、铺展有关联,又跟涂料黏度有关联,是一个随时间变化的过程。水性双组分亮光面漆是对表面装饰效果要求极高的一类涂料产品,流平剂在其中起到至关重要的作用。实验中,我们选择几类市面公认有较好效果的流平剂进行比较,主要通过量化流平性数据和主观判定来实现选用。

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根据表12的测试结果,SL-4的量化数据表示可以提供漆膜最好的长波流平性及鲜映性,与主观判定的结果一致。SL-4可作为该体系的最优流平剂。


2.6 其他助剂的选择


成膜助剂的选用需要综合考虑原材料和固化剂代入的溶剂,确保涂料中VOC的含量以及施工时VOCs的排放满足国家和地方相关法律法规的规定。


分散剂的选用需要与钛白粉的选用相辅相成,既要保证粉料的分散细度和防沉性,又要保证涂料最终的罐内防浮色和漆膜的色差。


最后进行的是消泡剂的选用,生产高速分散时的快速消泡性以及罐内长效消泡性,是相对比较容易解决的。因工艺、环境、设备等差异,设备喷涂时产生的机械泡是最难完全解决的,这也是现阶段水性涂料配方研制的重点工作。


2.7 往复机喷涂应用测试


为了尽可能避免水性涂料的塌陷问题,我们选用已做好UV底漆(铅笔硬度>1H)的橱柜面板作为底材,得到更好的漆膜效果的同时,也便于观测遮黑边、抗流挂等性能指标;涂料按主剂:固化剂:水=100:25:25的比例进行调配,调至涂-4杯60s备用;涂装设备采用Marko往复式喷涂机,口径12(0.38mm),配套科姆林40-50F柱塞泵;施工环境温度30±5摄氏度,环境湿度40-50%。涂装应用测试按150、200、250三个梯度进行,测试项目及数据如表13:

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按应用测试结果可知,该配方在抑制或消除喷涂机械泡的方面还需要继续的优化,需要最大程度上防止暗泡和痱子的形成。为得到更好的漆膜效果,首先,要求喷涂施工和流平段的环境湿度控制在70%以下,湿度越高有形成痱子的风险越高;其次,控制涂布量在200g/m²以内,涂布量跟湿度也有紧密的联系,一般情况下高湿低涂布量可以有效减少痱子的产生。水性双组分亮光面漆的塌陷问题也是行业难题,虽然随着上游原材料和涂料技术的发展这方面已经有极大的进步,但还是不能满足家具厂批量生产的需求。


3 结语


1) 水性树脂与固化剂是双组分涂料的主成膜物质,其相容性的评估是重中之重,它直接影响其他成分的筛选难度和以后配方优化的空间。油性固化剂虽然可在水性双组分涂料中应用,但其限制条件较多,选用需谨慎。


2) 为得到最佳的漆膜平整度,基材润湿剂和流平剂的测试过程中除了关注对漆膜流平性的影响外,也要关注对涂料流动性的影响。


3) 增稠剂和流变助剂搭配使用可以使水性涂料得到最佳的流变特性,从而得到防沉降、抗流挂、流平等性能的平衡。


4) 消泡剂的选用一直是水性涂料配方研制的重点工作。在机械涂装广泛应用的现状下,水性涂料在进行机械涂装时的消泡能力,变得更为重要。‍


作者:

夏正明  珠海展辰新材料股份有限公司技术管理中心涂料研发部经理

刘志刚  珠海展辰新材料股份有限公司董事、技术管理中心总经理

来源:2022水性二十年纪念册


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