水性阳离子树脂在木器涂料中的应用

0 前言
阳离子聚合物是采用阳离子型乳化剂或带正电荷的单体制得的均聚物或共聚物乳液。它的基本特征是乳胶粒表面或聚合物本身带正电荷[1]。它对正负电荷具有良好的平衡性能，同时还具有杀菌、滑爽作用，因而在污水处理、抗静电处理方面具有阴离子或非离子型乳液不可比拟的功能,是一类很好的絮凝剂,被广泛地应用于纸张、织物、涂料、印染、钻井、化妆品等领域。阳离子聚合物经常含有氨基类官能团，能够和木材中的纤维及一些化学物质如单宁酸等相互作用，产生良好的附着力及封闭性[2]。

1 阳离子树脂的合成
和传统的水性体系相比，使用水性阳离子聚合物作为污渍封闭和涂料翻新中的连接料，具有优异的污渍封闭性能，以及出色的附着力[3]。这些阳离子体系聚合物是通过在聚合物链上引入质子化的胺基官能团制备而成。当用酸中和时，带正电荷的胺基变成水溶性，聚合物粒子开始溶胀，达到原体积的数倍，乳白色的分散体渐渐地变成透明的聚合物阳离子溶液。如图1所示。中和时，在pH值4.0～7.0范围内，酸性越强，聚合物链段会越舒展，聚合物的黏度就会越高，同时透明性也会提高。在中和过程，倾向使用挥发性酸，例如醋酸、蚁酸或者乳酸，目的是阻止成膜时形成盐和亲水性物质。

图1 中和前后聚合物外观对比

2 阳离子树脂作用机理
阳离子树脂在一些领域的应用中是靠和被作用的物体之间的静电引力来发挥其功效的，然而在木器涂料的应用中不仅是这些，当然也是十分复杂的。但可以明确地说出以下几点：阳离子树脂可以和木材中的单宁酸以及部分油脂类物质分子形成离子键，反应形成的盐类物质被涂层固定在界面上，而不会在高温高湿条件下迁移渗出，并在涂层表面被氧化变色，从而影响涂膜的外观，有时也会影响涂层和基材的附着力。对于木材，阳离子树脂中的胺基基团可以和木纤维中的羟基形成氢键，从而产生很好的附着力。而难去除的涂鸦或者潮湿的尼古丁烟渍、餐饮场所的碱渍等可以被阳离子聚合物中的酸性基团所中和并固定。另外需要补充说明的是，低pH值很大程度上阻止了各类型污渍的溶解，这是不同于传统的阴离子乳液或树脂。

3 阳离子树脂在木器涂料上的应用
水性阳离子树脂具有优异的封闭性和出色的附着力，可以将其应用在水性木器涂料，以下列举了水性阳离子树脂在不同木质基材上的一些应用[4]。图中阳离子底漆和普通阴离子面漆采用刷涂方式，各只刷一遍。阳离子底漆需要充分干燥，才能上面漆，试验条件为室温干燥24 h再涂面漆。涂好面漆的样板放置7 d后，采用加速试验来看封闭效果。加速试验条件为温度40 ℃，相对湿度90%，放置48 h。

3.1 封闭水溶性木材污渍
水溶性污渍封闭效果如图2所示。

基材：普通胶合板，涂刷红色水溶性染料，来模拟含水溶性污渍的基材。
左部分: 涂布普通的白色水性底漆，再在左下部涂普通水性面漆。左部分严重地渗出颜色。
右部分: 涂布含阳离子树脂的白色水性底漆，再在右下部涂普通水性面漆。右下部分没有颜色渗出，即使只涂布底漆也没有渗出。
(注意:在图中的上半部分,显示只涂布不同底漆的效果，而下半部分是再涂布相同面漆的效果。)

实色漆中颜填料能够起到一定的遮盖作用，因此，进一步比较含阳离子实色漆和清漆的封闭效果(见图3)，基材同上，为普通胶合板，涂刷红色水溶性染料。

左部分: 涂布含阳离子的白色水性底漆，再在左下部涂普通水性面漆。
右部分: 涂布含阳离子树脂的清漆，再在右下部涂普通水性面漆。
比较涂过面漆的部分，均为白色，可见无论是清漆还是实色漆，都有很好的封闭效果。理论上来说，设计配方时，清漆中的阳离子成分比实色漆更多，因此封闭效果也会更好一些。

图 3 清漆实色漆封闭效果比较
3.2 封闭富含单宁酸的木材
含单宁酸的木材如茚茄木、橡木、杨木、枫木、桐木等，在高温高湿情况下，木材中的单宁酸会渗出导致涂层变色，普通的水性涂料不能很好地解决这个问题，含阳离子树脂可以很好地解决此类问题。如图4，在茚茄木上涂刷封闭底漆和面漆，重叠部分是底漆加白色面涂（沙壁涂层和普通涂层）得到的效果。由图4可见，直接涂布砂壁涂层或普通白色水性涂料会产生严重的颜色渗出现象，相比之下，有了底漆后，面漆颜色要白很多。

图 4 对茚茄木的封闭效果

如图5，在含单宁酸的橡木上涂布普通底漆和含阳离子树脂底漆，比较如下：
左部分：涂布普通的白色水性底漆，可见漆面上有明显黄色，这说明基材中的单宁酸严重渗出。
右部分：涂布含有阳离子树脂的白色水性底漆，漆面呈现均匀白色，可见仅阳离子树脂层涂布可防止单宁酸渗出。

图 5 对橡木的封闭效果

3.3 封闭尼古丁烟碱渍
尼古丁烟渍也偶尔会在木质结构上出现，可以通过以下对比来说明，如图6。
上面:烟渍污染的基材（胶合板上涂布混有尼古丁烟渍的白漆来模拟），直接涂布普通水性白面漆。
下面:基材同上，在涂布普通水性面漆之前，涂布一层含有阳离子树脂的清底漆。
有了阳离子底漆，面漆才能够体现白净的涂饰效果。否则，烟渍仍然会渗出并沾污漆面。

图 6 对烟渍的封闭效果

3.4 封闭软木渗出物
软木是轻质木材粉碎后，再用胶黏剂粘结压制而成，是一种很好的再生材料。其密度较小，表面显示大量木质颗粒，颜色深浅不一。用于隔音地板、墙板，也有用于包装隔板，如图7。

左部分:涂布普通白色水性底漆，可见漆面上有明显黄色斑，这说明基材中色素或胶黏剂严重渗出。
右部分:涂布含有阳离子树脂的白色水性底漆，整体漆面呈现白色，可见阳离子涂层可防止色素或胶黏剂渗出。
另外，软木上涂布含有阳离子树脂的着色清漆，着色剂为不同颜色的含阳离子分散剂制备的色浆。
图中可见着色清漆纯净的颜色，可能由于渗出物导致的色点色斑则不会出现，如图8。

图 8 软木的着色效果
3.5 水性木器翻新涂料
在水性木器涂料的应用中有一类是用于翻新的木器涂料，基材是已涂过水性或溶剂型的漆面。溶剂型涂料包括硝基漆、PU涂料、醇酸涂料等，普通的水性涂料很难在溶剂型漆面上附着，往往需要打磨或特殊处理，阳离子树脂有很好的附着力，因此可以应用于此类用途的涂料，通过以下实例简要说明。选择涂有白色溶剂型醇酸涂料的基材，并老化处理，见图9。
左边:含有阳离子树脂并用紫色色浆着色的涂层在醇酸漆面上的附着力优异。如图所示采用百格法测试，胶带撕拉后，紫色涂层没有脱落。可见阳离子技术展示了优异的附着力。
右边:普通水性涂层并用蓝色色浆作为着色剂。
百格法测试之后，蓝色漆面完全剥落，说明普通水性涂层附着力差。

图 9 在醇酸旧漆面的附着力比较
4 阳离子树脂配方建议
市场上大多数的助剂、颜填料、着色剂都是配合阴离子树脂来使用，因此在设计含阳离子树脂配方的时候需要谨慎。通常来讲，碱性成分会引起配方不稳定甚至出现凝胶。通常阳离子树脂是靠静电斥力稳定存在的，若在阳离子体系中拼用阴离子体系树脂、阴离子分散剂制备色浆，体系将产生絮凝，碳酸钙类填料也不宜用。但是这类产品可以和非离子的润湿分散剂、增稠剂一起使用。典型配方见表1、表2。

注：成分来源：① INTERPOLYMER；② BYK Chemie；③ Cognis；④ SE Tylose；⑤ Dupont；⑥ Imerys。