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用于办公家具的光固化水性聚氨酯丙烯酸酯树脂的合成及应用
王洪武，孙伟祖，任率祖，邓俊英，曾望，赵伟国，孙家宽(万华化学股份有限公司，国家聚氨酯工程技术研究中心，山东烟台264002)
0 前言
目前在国内木器涂料市场上，环境友好型水性木器涂料已成为涂料行业发展的必然趋势之一，但绝大部分水性涂料在性能方面与溶剂型涂料仍有一定差距，例如硬度、丰满度、封闭效果、抗划伤性、耐化学品性和生产效率等。光固化水性涂料结合了紫外光固化涂料和水性涂料两者的优点。与传统溶剂型或无溶剂型UV涂料相比，消除了使用挥发性有机化合物导致的污染和刺激性，易于喷涂，收缩程度低，具有更好的附着力，易于消光，易于清洗施工设备和容器。与传统双组分涂料相比，其生产效率高，没有活化期而易于操作，同时又具有相近或更优异的机械性能和耐化学品性能。办公家具绝大部分市场要求全封闭效果，水性产品往往存在胀筋严重的问题，导致要达到全封闭效果需要多道涂装，大大增加了施工成本。同时，办公家具面漆要求具有非常优异的丰满度、抗划伤、耐烫等性能，普通的水性UV树脂很难满足。
为了获得与溶剂或无溶剂型涂料整体上相近性能以及外观效果，本文介绍了两种光固化水性聚氨酯丙烯酸酯树脂，一种用于底涂，一种用于面涂。通过底涂树脂提供涂层封闭性、高丰满度、高附着力、光泽度，通过面涂提供涂层高硬度、高抗划伤性、高耐化学品性等。
1 试验部分
1.1 主要试验原料
H12MDI(二环己基甲烷二异氰酸酯)、己二异氰酸酯三聚体，烟台万华，工业品；PBA2000(分子量2 000)，烟台华大，工业品；HEA(丙烯酸羟乙酯)，工业品；PETA(季戊四醇三丙烯酸酯)，天津天骄化工，工业品；DMPA，瑞典柏斯托，工业品；NEP(N-乙基吡咯烷酮)，工业品。
1.2 光固化水性聚氨酯丙烯酸酯树脂的合成
将异氰酸酯、聚合物二元醇、DMPA、共溶剂NEP等加入四口烧瓶，并加入催化剂，升温合成端—NCO预聚物。当—NCO含量达到预聚物的理论值后，加入羟基丙烯酸酯继续反应直至理论—NCO含量，停止加热，并加入适量丙酮以降低树脂黏度。降低树脂温度到约50 ℃左右，加入中和剂中和后，将预聚物树脂加水分散，预聚物中残留—NCO用二元胺进行后扩链，并经过抽真空脱除丙酮得到水性光固化树脂。
2 结果与讨论
2.1 异氰酸酯指数对底涂树脂性能的影响
在水性光固化树脂合成中，通过预聚得到端—NCO的预聚体后加入羟基丙烯酸酯，改变预聚物合成时异氰酸酯指数R，考察不同R值对底涂硬度、封闭性、附着力以及丰满度等性能的影响。数据表明随着R值的提升，附着力、丰满度等性能变化不明显，而硬度、贮存稳定性、封闭性等性能变化较明显，测试数据如表1。
从表1中的数据可以得出，随着R值的提高，涂层中双键密度的提高，交联程度提高导致硬度提升明显。由于底材的多孔性，底涂的附着力都比较好。随着R值的提高，分子量逐渐减小，在湿膜干燥中随着水分挥发，乳液粒子逐渐融合，分子量越小，涂层更容易流平，在多孔基材中润湿渗透，从而获得更好的丰满度、封闭效果和显木纹效果。
2.2 后扩链对底涂树脂性能的影响
在树脂合成过程中，向预聚物中加入羟基丙烯酸酯反应得到以丙烯酸酯封端的聚氨酯丙烯酸酯低聚物，其分子量较小，湿膜干燥后涂层仍然发黏。为了得到指触干效果避免施工环境对涂层的影响，通常减少羟基丙烯酸酯的用量，因羟基丙烯酸酯减少导致的残留—NCO在分散后用二胺进行后扩链，增大树脂分子量而得到水性光固化树脂，测试结果如表2所示。
随着扩链比例的增大，树脂平均分子量也逐渐增大，从表2各项性能变化趋势可知，随着分子量的增大，树脂的封闭性、显木纹性、丰满度等性能逐渐变差。这是因为随着封端羟基丙烯酸酯用量的减少、扩链二胺用量的增加，树脂平均分子量逐渐增大，树脂流平性能变差，对底材的润湿渗透性都降低，导致其封闭性、显木纹性、丰满度都降低。因此应平衡好施工性、应用性能的关系。
从以上试验可以看出，影响底涂封闭性、显木纹性、丰满度等性能的主要因素在于树脂自身或配方的流平性、表面张力等因素。可以通过原料的选择如聚酯多元醇种类、分子量大小的控制、乳化分散工艺的选择以及涂料配方中助剂的添加来改变底涂封闭性、润湿性、显示木纹性等性能。
2.3 双键密度、交联度对面涂树脂性能的影响
水性光固化聚氨酯丙烯酸酯合成通常先制备端—NCO的预聚物，再以羟基丙烯酸酯对预聚物进行封端，为了得到更好的树脂稳定性，通常需要降低预聚物的异氰酸酯指数，提高分子量。但因此又降低了树脂双键密度，影响到涂层的性能，因此通常在树脂中加入高官能度丙烯酸酯，本试验通过调整羟基丙烯酸酯中HEA和PETA的比例以改变涂层双键密度。同时本试验在预聚物反应中得到端—NCO预聚物后，在预聚物中加入一定比例HDI三聚体，然后向预聚物与三聚体混合物中加入羟基丙烯酸酯反应得到基于预聚物和三聚体的聚氨酯丙烯酸酯，通过三聚体的加入量来提高涂层的交联密度。双键密度和交联度对面涂性能的影响如表3、表4所示。
从表3、表4中可以看出增加双键密度和交联度都能有效提高面涂树脂的性能，但在实际应用中不能一味增加PETA以及三聚体的用量来提高性能。这一方面会导致原料成本的大幅增加，另一方面它们的增加导致树脂中游离态小分子的增加，对乳液粒子的溶胀导致乳液分散过程困难、乳液稳定降低。在实际应用中需要平衡性能、成本、稳定性等多方面因素来考虑。
3 光固化水性聚氨酯丙烯酸酯树脂涂料在办公家具中的应用
3.1 办公家具底、面漆基础配方
经此方法合成的水性UV树脂底漆，具有优异的流平、润湿、封闭性等特点，面漆具有优异的抗划伤、耐化学品性等特点，在办公家具应用领域具有广泛的应用前景，基础配方如表5、表6所示。
3.2 水性UV涂料在办公家具中的应用评测
3.2.1 水性UV底漆的性能评测
按表5配方，1道喷涂70 g/m2，松木基材与市售商品效果对比如图1所示。
图1显示，此方法合成的底漆具有优异的丰满度和暖木、封闭效果，较市售商品具有非常明显的性能优势。
3.2.2 水性UV面漆的性能评测
选取市售国外竞品按表6配方，相同施工工艺条件下的性能对比如表7所示，抗划伤-耐钢丝绒试验如图2所示，抗沾污-油性笔耐沾污试验如图3所示。
图2显示，此工艺合成的UV面漆经20次钢丝绒双向擦拭无划痕，具有十分优异的抗划伤性能，优于市售国外竞品。
图3显示，此工艺合成的UV面漆，具有更高的交联密度，抗沾污性能更加优异。
综上所述，此方法合成的底、面漆较市售的水性UV产品，具有更加优异的性能优势，在办公家具中具有很强的竞争力，弥补了市场上水性UV产品在此领域的空白，应用前景广阔。
4 结语
以水性光固化树脂制备的涂料性能主要通过丙烯酸酯双键的固化交联来实现其涂料的各种功能，合成光固化底涂树脂时，可以通过调整聚氨酯丙烯酸酯低聚物分子量等方式，使得底涂树脂获得更好的流平、润湿、渗透性，从而使得以其为底涂的涂料具有较好的暖色、封闭等性能；而通过调节双键密度、交联密度，可以得到更优异的耐性、抗刮伤等性能，最终通过本研究获得的底涂、面涂树脂，可以满足办公家具的要求。
