WPU型高光木器清漆的研制及性能研究

　　文风，陈俊，廖笠，王慧
　　
　　（武汉力诺化学集团技术中心水性涂料研究室，武汉430035）
　　
　　摘要：对市面上的水性聚氨酯进行了筛选，考察了水性聚氨酯树脂、水性助剂种类和用量与涂料性能的关系，并重点探讨了涂料助剂与施工性能的内在联系。试验结果表明，该水性木器清漆具有优异的综合性能，能够广泛应用于家装领域。
　　
　　关键词：水性聚氨酯；木器涂料；性能
　　
　　0前言
　　
　　水性木器涂料起源于欧洲，并逐渐在全世界推广发展，从首次制备水性阳离子聚氨酯到现在双组分水性聚氨酯应用于木器涂料，已经历了60多年的发展历程[1]。随着各国环保法规对VOC的限制以及对环保的重视，溶剂型木器涂料受到前所未有的挑战，水性木器涂料的发展已势在必然[2]。水性聚氨酯涂料因其具有突出的耐磨性、光泽度、附着力等机械性能，得到广泛的应用，并受到越来越多的青睐。水性聚氨酯与高固体分和无溶剂产品相比，受到了欧美及日本等国的重视[3-4]。本试验通过筛选原材料，系统考察了基材润湿剂、成膜助剂、消泡剂、增稠剂等种类和用量与清漆性能的关系，着重揭示了涂料助剂对涂料施工性能的影响。
　　
　　1试验部分
　　
　　1.1试验原料
　　
　　水性聚氨酯样品、基材润湿剂、成膜助剂、消泡剂、增稠剂、蜡乳液、去离子水等。
　　
　　1.2检测方法
　　
　　铅笔硬度按GB/T6739标准进行测试；光泽按GB/T9754标准进行测试；耐水、耐醇、储存稳定性按GB/T23999-2009进行测试；干燥时间按GB/T1728-1979进行测试。
　　
　　2结果与讨论
　　
　　2.1水性聚氨酯树脂的筛选及清漆性能测试
　　
　　本试验选用了市面上比较常见的水性聚氨酯，按GB/T23999-2009测试了其基本性能，其结果见表1。

　　表1水性聚氨酯基本性能测试

　　由表1可知，树脂A、C、D具有优异的耐水、乙醇等性能，同时铅笔硬度、附着力等性能突出，涂膜丰满度高，手感好。本试验依据上述性能对比，综合考虑价格与性能后，最终筛选树脂D作为试验树脂。

　　 　　2.2基材润湿剂的选择
　　
　　基材表面和涂料配方都会影响润湿，原则上来说，液体的表面张力比基材表面自由能小的话，固体表面总是可以很好润湿。水性木器涂料里含有大量的水，水的表面张力为72mN/m，所以要使用基材润湿剂降低涂料的表面张力，使其能够很好地在基材上铺展开，这些具有表面活性的物质，会优先附着到相分界处，从而起到降低表面张力的效果。基材润湿剂分子同时含有疏水和亲水两部分基团，分子的非极性部分停留在液面向着空气的方向，极性部分停留在水相中。基材润湿剂的种类有：阴离子型表面活性剂、非离子表面活性剂、聚醚改性聚硅氧烷类等。本试验比较了几种市面上常见的基材润湿剂，其用量为涂料用量的0.5%（质量），考察了润湿剂种类与涂料性能的影响，结果见表2。

　　表2基材润湿剂与涂料性能的关系

　　由表2可见，基材润湿剂B与C具有优秀的降低表面张力的能力，同时展布性能、稳泡性能较好，能够与体系很好地相容，但基材润湿剂B具有比较明显的价格优势，因此在本试验中采用B作为基材润湿剂，其用量为总配方用量的0.5%（质量）。
　　
　　2.3成膜助剂种类及用量对涂料性能的影响
　　
　　成膜助剂用于降低聚合物的玻璃化温度。当乳胶粒子成膜过程完成后，成膜助剂能以较快的速度从涂膜中挥发出去，使聚合物玻璃化温度值恢复至初始值以保持涂膜应有的机械强度和硬度。如果涂膜层很厚或成膜助剂加入量过大，成膜助剂将很难完全挥发，残留在涂层中的成膜助剂会充当涂膜的永久增塑剂，使涂膜变软。根据成膜助剂自身的疏水亲水性，可将其分为3类：疏水性烃类成膜助剂、亲水性强于纯烃类成膜助剂、亲水性成膜助剂。本试验考察了丙二醇、二丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚、乙二醇单丁醚4种成膜助剂对涂膜性能的影响。试验结果表明，采用亲水型的乙二醇单丁醚(BCS)和亲油型的二丙二醇丁醚（DPnB）混合使用，当n(BCS)∶n(DPnB)=2∶1时，涂膜成膜性能最佳（值得注意的是，今后乙二醇醚系列的成膜助剂将被限用）。我们采用树脂D作为基础树脂，考察了混合成膜助剂用量对涂膜性能的影响，其结果见表3。

　　表3混合成膜助剂与涂膜性能的关系

　　由表3可见，随着成膜助剂用量的逐渐增加，涂料由开始的不能成膜到最后能够形成性能比较好的涂膜；但成膜助剂用量偏大时，严重影响涂膜的干燥时间。经综合考虑，混合成膜助剂用量定为配方总量的5%。
　　
　　2.4消泡剂对涂料性能的影响
　　
　　在水性配方中，消泡剂的作用是破坏位于表面的大气泡并防止空气的大量滞留，并在施工过程中使散布于涂膜中的空气尽快排除。因此消泡剂的选择要考虑到消泡和脱泡两种功能[5]。

　　本试验对消泡剂的种类和用量进行了考察，结果见表4。

　　由表4可见，矿物油类消泡剂与水性木器涂料体系不相容，同时其对清漆的光泽和透明性有较大影响，不宜使用。水性木器涂料中消泡剂宜选择聚醚硅氧烷共聚物乳液，同时搭配脱泡性能较好的消泡剂D，能够达到较好的外观和施工效果。经试验对比，消泡剂C用量为0.5%，消泡剂D用量为0.3%时，性能最佳。

　　 　　2.5增稠剂的选择
　　
　　增稠剂可调节水性涂料的黏度和流变性，还可改善涂料的触变性，使其便于施工，减少滴流和流挂。用于水性涂料的常用增稠剂有纤维素醚、聚丙烯酸酯、缔合型增稠剂和无机增稠剂。水性涂料增稠机理有两种：（1）缔合型增稠，通过增稠剂分子的疏水端基与自身以及涂料中的其他组分的非特定相互作用来增稠，增稠的效果是通过疏水端基与配方中其他组分的相互作用而产生的；（2）非缔合型增稠，通过水溶性高分子量聚合物链的缠绕来增稠，增稠的效果主要取决于聚合物的分子量。本试验采用非离子型聚氨酯增稠剂tego-3000，并考察了其用量对储存稳定性和施工性能的影响，其结果见表5。

　　表5增稠剂用量与涂料性能的关系

　　由表5可知，增稠剂用量偏低时，涂料的储存稳定性不好；随着增稠剂用量的增加，涂料的储存稳定性变好，但涂料的施工性和涂膜流平性能变差，因此，增稠剂用量为0.4%～0.6%为最佳。
　　
　　2.6清漆性能测试
　　
　　2.6.1清漆基本配方

　　清漆基本配方见表6。

　　2.6.2生产工艺
　　
　　将1～4组分加入高速分散机，搅拌均匀后以900r/min的转速分散15min；然后缓慢加入5～6组分，搅拌25min，最后依次加入7～9组分，搅拌均匀后过滤出料，即得水性聚氨酯型木器涂料。
　　
　　2.6.3产品性能测试

　　高光清漆基本性能见表7。

　　3结语
　　
　　本试验制备了一种单组分高光型木器清漆，系统考察了水性树脂、水性助剂等因素与清漆性能的关系，并对木器清漆进行了性能测试。试验结果表明，选用树脂D、基材润湿剂B、消泡剂C与D等，能够制备性能比较优秀的水性木器清漆，该清漆综合性能优异，特别是光泽、耐水、醇等指标突出，且具有较高的硬度。随着国内外水性化技术的不断更新，水性木器涂料也迎来了高速发展时期，该水性木器涂料能够取代溶剂型产品，广泛地应用于家装领域。