双组分水性木器高光清漆的研究

黎呈锋,王柳生,练世斌

惠州市长润发涂料有限公司

摘要:研究双组分水性高光涂料的制备,配方的基本设计思路,重点探讨了树脂选择、固化剂搭配、n(—NCO):n(—OH)、环境控制、喷涂厚度、助剂等对高光涂膜的影响,通过实验,制得一款光泽度90%(60°)以上,硬度1H的高丰满度水性高光涂料。

关键词:双组分 水性 环境友好 高光

0、前言

近年来,人们对环保的需求越来越高,在生活水平提高的同时,日益关注健康、环保的话题。同时,也得益于国家政策的鼓励和推动,水性化在涂料行业兴起,水性涂料上下游技术也得到快速发展。

传统的溶剂型涂料,特别是高光涂料早已得到大规模应用,在水性化进程中,不断有客户提出水性高光涂料的需求,而水性高光涂料一直让人头疼,存在光泽不够、涂膜不平整、易起痱子、丰满度差等难题。在这样的背景下,本实验进行双组分水性高光清漆的研究,探讨了水性羟基树脂的选择、固化剂搭配、n(—NCO)∶n(—OH)、环境控制、喷涂厚度、助剂等对高光涂膜的影响,借以减少与溶剂型涂料的差距,共同推动木器涂料行业水性化进程。

1、实验部分

1.1主要实验原材料

水性羟基丙烯酸分散体、pH值调节剂、润湿剂、消泡剂、成膜助剂、流变助剂、流平剂、蜡乳液。

水性羟基丙烯酸分散体是制备水性高光涂料的关键原材料,通常有高羟丙烯酸和低羟丙烯酸之分,一般认为羟基含量(以固体分计)大于3.0%为高羟,并无严格的界限。高羟丙烯酸分散体制得的双组分聚氨酯涂膜交联度更高,涂膜更致密,通常有更高的光泽和硬度、更优异的耐性。

1.2双组分水性高光清漆的制备

把羟基丙烯酸分散体加入搅拌罐中,以搅拌速度800 r/min依次加入润湿剂、pH值调节剂、消泡剂1、成膜助剂用适量水开稀后缓慢加入,加入流变助剂;搅拌速度升为2000 r/min,加入消泡剂2、消泡剂3,分散20 min后刮板无缩孔,加入流平剂、蜡乳液,分散10min后把剩余的水补足,1000 r/min继续搅拌3~5 min送样检测。配方如表1所示。

双组分水性高光清漆配方

1.jpg

1.3产品性能

水性高光清漆光泽一般要求光泽度在90%(60°,后同)以上,涂膜透明度特别好,所以要求涂膜表面平整、无明显瑕疵,同时要具备优异的硬度、抗划伤性能,检测结果见表2。


2、结果与讨论

2.1不同羟基丙烯酸树脂对比

羟基丙烯酸与异氰酸酯固化剂复配组成双组分涂料,在成膜固化过程中,丙烯酸中的—OH与异氰酸酯中的—NCO基团发生加成反应,反应后形成致密的三维网状结构,相比单组分水性涂料,三维网状结构的涂膜有更优异的性能。

高羟丙烯酸分散体与水性异氰酸酯固化剂反应制得的涂膜有更高的交联度和致密性,光泽、丰满度也会更高;而低羟丙烯酸分散体通常交联度要低一些,制得的涂膜光泽很难达到90%。本实验选用市售常见的高、低羟基丙烯酸分散体,水性通用性固化剂D,以n(—NCO)∶n(—OH)=1.5配制双组分涂料,喷涂于PE透明底板上。

图1、不同高、低羟丙烯酸树脂的光泽

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从图1可以看出,当羟丙树脂的羟基含量小于3%时,光泽都在90%以下;所选树脂羟基含量大于3%时,光泽都大于或等于90%,其中一款羟基含量为3.9%的树脂,光泽高达94%。本实验选择两款羟基含量为3.9%的树脂展开研究。

2.2不同水性异氰酸酯固化剂对比

水性涂料用的异氰酸酯固化剂一般需要经过改性处理,在固化剂分子中引入亲水基团,常用的如用聚乙二醇醚和磺酸盐类改性。实验选取市售常见水性固化剂,羟基含量为3.9%的树脂A,以n(—NCO)∶n(—OH)=1.5配制双组分涂料,在25 ℃、75%RH条件下,喷涂于PE透明底板上。固化剂A、固化剂B,直接与主剂混合较难分散均匀,预先用PMA开稀为固含量80%使用。不同水性异氰酸酯固化剂对比见表2。

表2、不同水性异氰酸酯固化剂对比

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固化剂A干速相对较慢,比较容易起痱子;固化剂B与双组分主剂的相容性较差,很难混合均匀,起痱子;固化剂C、固化剂D、固化剂E从手搅混合性、干燥速度、光泽、涂膜平整度和最终板面效果整体表现较好。

2.3 羟基丙烯酸树脂与固化剂的进一步测试

选择两款羟基含量为3.9%的树脂A和树脂B,分别搭配水性固化剂C、固化剂D、固化剂E,以n(—NCO)∶n(—OH)=1.5配制双组分涂料,在25 ℃、75%RH条件下,喷涂于PE透明底板上,对比结果见表3。

表3、不同树脂与不同水性异氰酸酯固化剂复配对比

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从表3可以看出树脂A有很好的丰满度和硬度,搭配固化剂D有相对较好的光泽稳定性;树脂B的光泽非常高,搭配固化剂D的光泽稳定性也较好,但涂膜的丰满度稍差,最终硬度只有HB。两种树脂配不同的固化剂,涂膜表面都难免有痱子,涂膜有微小波浪。综合性能来看,选择树脂A搭配固化剂D继续进行实验。

2.4影响水性高光清漆起痱子的因素探讨

水性双组分涂料中,除—NCO与—OH的主反应外,还伴随着—NCO与水、—NCO与—COOH生成CO2的副反应,这也是涂膜容易起痱子的重要原因。

2.4.1成膜助剂因素

成膜助剂在水性涂料成膜过程中起着重要作用,一方面,成膜助剂挥发,乳胶粒子慢慢融合交联成膜;另一方面,成膜助剂不同沸点的搭配使用,可以调节涂料梯度干燥,延长涂膜开放时间。本实验研究表明,在使用羟基丙烯酸树脂A的水性双组分高光清漆体系中,相比DPM、DPnB、BCS有助于减少痱子的产生。

2.4.2消泡剂因素

消泡剂是涂料配方体系不可或缺的成分之一,消泡剂适当的搭配,能赋予涂料良好的状态和施工性,减少涂膜弊病的产生。本实验研究表明,添加消泡剂3,能有效减少痱子的产生。消泡剂3相比普通类型的消泡剂,不仅具有较强的消泡性,在涂膜干燥阶段,也有助于消除反应时产生的泡沫。

2.4.3 n(—NCO)∶n(—OH)因素

如前所述,在水性双组分涂料中,—NCO分别会与水、—COOH生成CO2,一般在设计配比时,会让固化剂适当过量,若固化剂加量过多,反倒会产生副作用。实验研究表明,n(—NCO)∶n(—OH)高于2.0时,易起痱子;n(—NCO)∶n(—OH)约为1.5,痱子能得到比较好的控制。

2.4.4环境因素

水性涂料的干燥极易受到环境因素的影响,其中温度和湿度是两大关键因素。高温高湿、天气闷热,不利于水分的挥发,这种环境下水性高光涂料最容易产生痱子;低温高湿,水分难挥发,同时—NCO与—OH的反应活性降低,成膜效率降低,容易起痱子;高温低湿,水分挥发快,反应相对剧烈,涂膜表干快,表干里不干,也易起痱子;低温低湿,—NCO与—OH的反应活性降低,表干相对快,也不利于形成理想的涂膜。

本实验研究表明,温度15~25 ℃,湿度50%~65%,有轻微的空气流动,不易起痱子,有助于形成理想的涂膜。

2.4.5 喷涂厚度因素

喷涂厚度也是影响水性双组分高光涂料是否易起痱子的重要因素,涂膜太薄,不利于流平,涂膜丰满度不够;喷涂太厚,不利于涂料干燥,在高光体系中,特别容易起痱子。本实验以树脂A体系搭配固化剂D,n(—NCO)∶n(—OH)=1.5,在25 ℃、湿度70%条件下,分别制得湿膜为80 μm、100 μm、120 μm、150 μm、180μm、200 μm的涂膜,干燥后发现180 μm、200 μm的样品严重起痱子。

2.5影响水性高光清漆流平的因素探讨

高光涂料涂膜表面的缺陷都容易被察觉,水性高光涂料涂膜流平相对不易控制,在前述实验中,涂膜流平效果都不是很理想。本实验经过多次测试,对比了大量市售产品,成功寻找到一款流平剂,应用到羟基丙烯酸树脂A的体系中,能大大改善涂膜的长波流平,最终制得理想涂膜。

3、结语

经过研究,可以从以下方面进行筛选、控制,实现水性双组分高光清漆的制备。

(1)选择羟基含量在3.0%的水性羟基树脂;

(2)选择合适的水性异氰酸酯固化剂,能与树脂体系有较好的配伍性;

(3)n(—NCO)∶n(—OH)的比例控制在约等于1.5;

(4)配方中可以从成膜助剂、消泡剂方面调整,减少痱子的产生;

(5)配方中可以从流平剂方面调整,实现涂膜流平;

(6)喷涂湿膜厚度在120 μm以下,晾干环境控制温度15~25 ℃,湿度50%~65%,有轻微的空气流动为宜。

本文发表于《中国涂料》 2017年07期


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