高性能水性紫外光固化木器清漆的研制

高性能水性紫外光固化木器清漆的研制 秦慧雯,董立志,张兴桥,于义田 ( 河北晨阳工贸集团有限公司,河北保定 072550) 0 引言 随着社会的发展和进步,人们日益增长的物质需求和…

高性能水性紫外光固化木器清漆的研制
秦慧雯,董立志,张兴桥,于义田 ( 河北晨阳工贸集团有限公司,河北保定 072550)

0 引言
随着社会的发展和进步,人们日益增长的物质需求和不可再生资源日渐枯竭的矛盾逐渐凸显,低能耗、绿色、环保将成为现代人类文明社会发展的永恒主题。木器漆行业发展亦然。溶剂型涂料独占市场的浪潮开始退去,未来取而代之的是以高效、绿色、保为宗旨的水性涂料、光固化涂料、高固体分涂料,尤其是采用水性木器漆涂装的家具、家装产品备受消费者青睐和关注。鉴于水性涂料乳液合成技术与涂料成膜机理,使得自干型水性木器漆与溶剂型木器漆相比,漆膜在机械性能、耐化学品性方面都存在明显的差异,极大程度上限制了其在木质家具上的广泛推广与涂装应用。
紫外光(UV)固化水性涂料结合了水性涂料和光固化涂料的优点,近年来发展迅速。本研究制备了一种高性能水性紫外光固化木器清漆。
 
1 试验部分
1.1 主要原材料与仪器设备
1.1.1 原材料
水性成膜物质:不饱和丙烯酸聚氨酯乳液、自干型丙烯酸乳液;成膜助剂:BCS(乙二醇丁醚);其他助剂:润湿剂、消泡剂、防沉剂、消光剂、pH 中和剂、光引发剂、手感剂、流变剂。
1.1.2 仪器设备
砂磨分散多用机、电子秤、喷枪、铅笔硬度计、百格刀、光泽仪。
1.2 样板制备
按表1 配方制得水性UV 清漆后,制板。样板制备步骤:旧涂层基层采用320# 砂纸打磨→调节施工黏度(T-4# 杯/ 25℃)至25~35 s→喷涂施工,涂布量为90~100 g/m2 →常温流平2~3 min →干燥:(50±2)℃×15 min →紫外光固化:能量为300 MJ/m2 的紫外光照射3~5 s 即可。
水性UV清漆配方

1.3 性能测试
水性UV 清漆的物理性能检测结果见表2。水性UV 清漆KCMA(北美橱柜制造商协会)测试结果见表3。
物理性能检测结果
水性UV清漆KCMA检测结果

KCMA 标准中是模拟橱柜门板直立进行测试,而本测试过程严于KCMA 标准,将试样平面朝上进行测试。从表3 结果来看,水性UV 清漆的耐沾污性较好,漆膜硬度也比一般的单组分及双组分清漆要高。

2 结果讨论
2.1 水性乳液筛选
对自制的4 种不饱和丙烯酸乳液设计基础配方进行性能评估测试。为了兼顾重涂应用性,在旧涂层(如:溶剂型双组分聚氨酯涂料、NC 硝基涂料、水性单组分涂料、水性UV 涂料)上的附着力也是本次基础评估测试关注的重点,按照“1.2”方法制备样板,基本性能评估测试结果见表4。
不同配方的水性UV清漆性能检测对比

由表4 可见:4# 乳液制备的漆膜综合性能相对其他乳液更优,但是其柔韧性有待进一步改善,后期可考虑与自干型聚合物乳液进行混拼来改善其柔韧性。
2.2 消泡剂的筛选
水性涂料体系从乳液合成到制漆过程中都会引入大量的表面活性剂,以达到分散相在水中的稳定性和控制涂膜在施工过程中的各种表面效果的作用。在涂料制备和施工过程中都会产生大量气泡,为使生产设备、施工设备获得更佳的利用率,以及最终涂膜具有良好的表面效果,消泡剂在水性涂料体系中的作用尤为重要。
消泡剂对不同乳液体系的适用性各异,本试验选用常规市售消泡剂。分别在基础配方中添加等量的不同类型消泡剂,从罐内起泡/ 消泡情况、漆膜透明性(即消泡剂与体系的相容性)方面对消泡剂进行综合评估,检测结果见表5。
由表5 可见:试验1#、2#、3# 所用消泡剂与基础漆乳液相容性相对较好。消泡剂是通过与体系的不相容性继而起到消泡作用,相容性差会引起缩孔、泛白等漆膜弊病;相容性过好,则消泡剂作用得不到
很好地体现。在涂料体系中,润湿剂、分散剂,以及涂料的黏度、贮存稳定性、冻融稳定性等都会影响到消泡剂的消泡能力和抑泡时效,结合表5 结果对消泡剂作进一步筛选,结果见表6。
消泡剂初步筛选

由表6 可见:TEGO 810 和BYK 024 消泡效果较好,且漆膜表面无缩孔现象。
2.3 润湿剂的筛选
水性涂料以水为分散介质,而水的表面张力比有机溶剂大得多,因此常常会出现基材润湿不良的现象,严重时会出现缩孔。此时就要采用润湿流平剂来解决。不同润湿剂的性能比较见表7。
不同润湿剂的性能比较
对基材润湿剂的基本要求是降低表面张力的效率要高,体系相容性要好,通常要溶于水、低泡、不稳泡、对水敏感性低,不会引起重涂麻烦和附着力下降的问题。表7 结果表明:各种润湿剂对体系的起泡/ 消泡性能无明显差别,均能达到良好的起泡/ 消泡效果。与TEGO 810 配套使用时,BYK 346、FS 204E 具有更好的润湿性,漆膜表面无缩孔产生。
2.4 消光体系的确定
消光剂应当具备以下几个特点:(1)化学惰性高,不与涂膜中任何组分发生反应;(2)对涂膜的透明性干扰小;(3)易于分散;(4)消光性好,低加入量即可产生强消光性;(5)在涂料体系中的悬浮性好,长时间贮存后不会产生硬沉淀;(6)不污染环境,不会对人体造成危害。消光剂对漆膜性能的影响见表8。
消光剂对漆膜性能的影响
由表8 可见:单独使用SY-7000,漆膜透明性较差,而将SY-7000 与518B6 配用后来调整光泽,可以有效改善面漆的透明性,并且518B6 有手感剂的作用,因此本试验选择两种消光剂配用来调节漆膜光泽。2.5 光引发剂的筛选
光引发剂是光固化涂料的关键组分。它是一种能吸收辐射能,经激光发生化学变化,产生具有引发聚合能力的活性中间体(自由基或阳离子)的物质。在光固化涂料中,光引发剂的添加比例一般占整个
涂料配方的3%~10%(质量比)。大部分光固化体系以自由基聚合为主。本试验选择了紫外光固化涂料在成膜过程中的3 个影响因素(漆膜厚度、曝光距离、曝光时间)作为正交试验的考察对象,以耐醇性、附着力、耐冲击性、弯曲性能、铅笔硬度、耐黄变性为考察指标,对4 种不同的光引发剂进行了正交试验,结果如表9 所示。
光引发剂的筛选
根据上述试验结果对耐醇性、耐冲击性、弯曲性能作进一步直观数据分析,结果如表10、表11、表12 所示。
漆膜耐醇性直观数据分析
漆膜耐冲击性直观数据分析
漆膜弯曲性能直观数据分析
表10~12 检测结果表明:影响漆膜耐醇性主要因素排序为曝光距离> 漆膜厚度= 曝光时间> 光引发剂,其中优化因素为光引发剂TPO-L、漆膜厚度300 μm、曝光时间2 s、曝光距离5 cm。影响漆膜耐冲击性主要因素排序为曝光距离> 漆膜厚度= 曝光时间> 光引发剂,优化因素为光引发剂BP、漆膜厚度200 μm、曝光距离10 cm、曝光时间2 s。各因素对漆膜弯曲性能无明显影响,优化因素为光引发剂BP、漆膜厚度200 μm、曝光距离15 cm、曝光时间4 s。
测试结果表明:优化水平- 因素试验具有良好的重现性;通过与其他曝光时间、不同漆膜厚度进行对比,以TPO-L 为光引发剂,该优化水平- 因素组合试验5 cm 曝光距离下,漆膜厚度最大,曝光时间最短,且漆膜固化良好。

3 结语
选择漆膜综合性能较好的4# 乳液作为主体树脂,选择与乳液相容性较好、消泡性较好的BYK 024 与TEGO 810 配用作为消泡剂,选择与体系搭配润湿性较好的BYK 346 与FS 204E 作为润湿剂,选用对漆膜透明度影响较小的SY-7000 与518B6 配用作为消光剂,并且通过正交试验确定以TPO-L 作为光引发剂,研制了一种高性能水性紫外光固化木器清漆。性能检测结果表明:该清漆漆膜硬度高、附着力强、耐沾污性好,均优于市售同类产品。

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