水性木器漆消泡工艺的优化

杜磊张维丽（深圳清华大学研究院 518057）
缪国元陈玉芳（江苏晨光涂料有限公司，常州 213154）

0 前言
木器涂料是涂料工业的重要组成部分，木器家具涂料约占涂料总消费量的10%［1］。水性木器涂料是以水为分散介质的一类涂料，具有不燃、无毒、不污染环境、节省能源和资源等优点。进人21 世纪后，随着国内外环保法规的不断完善和加强［2］，以减轻地球负荷为目的，低VOC 排放的新型涂料成为研发的热点。水性木器涂料的市场前景更为引人关注［3］。水性木器漆的生产和施工过程会引入空气，并产生气泡；某些树脂在成膜过程中发生化学反应，也会产生气泡；另外，漆膜涂布过程中，会将基材孔隙中的气泡置换出来。水性木器漆中含有的表面活性物质会促进并稳定气泡，这类物质包括：润湿分散剂、基材润湿剂、表面增滑流平剂、流变改性剂、基料中的低相对分子质量的成分等。抑泡和消泡是水性木器漆生产、施工、乃至涂膜干燥过程中始终存在的问题。与溶剂型木器漆相比［4，5］，水性木器漆更易起泡且难消泡［6］。

本文以解决企业生产水性木器漆过程中碰到的消泡问题为例，就典型的水性木器漆消泡工艺的优化进行了探讨。企业生产的一种单组分丙烯酸改性聚氨酯水性木器家具漆，经客户厂家使用后反映该产品不同批次之间存在消泡不足或过量问题，尤其是在南方低温或潮湿季节施工时，对其产品涂装质量造成很大影响。针对上述情况，根据厂家的要求，对该水性木器漆的配方及其消泡工艺进行了分析和调整，以保障产品质量，满足客户需要。

1 实验器材和方法
1.1 设备与原料
高速搅拌机、球磨机、拉缸、过滤器、多功能分散机、涂4 杯粘度计、湿膜刮制器、电子天平、漆膜测厚仪、烘箱、恒温水浴箱。水性木器家具漆、去离子水；成膜助剂：Texanol、DPnB、乙二醇丁醚（EB）（常州天义）；消泡剂：Dehydran1293、1620，Foamaster NXZ，FoamStarA32、A34、A36、A38（海川化工）。

1.2 操作和检测方法
漆膜涂刷：按GB 1727—79《漆膜一般制备法》进行。
漆膜厚度：按GB 1764《漆膜厚度测定法》测定。
取样：按GB 3816《涂料产品的取样》进行。
样板制备：白榉贴面胶合板符合GB/T 15104—1994，尺寸为150 mm×70 mm，使用前应在GB9278 规定的环境条件下放置7 d 以上。刷涂2 道：第1 道刷涂量为（0.8±0.1）g/dm2，间隔24 h 后刷涂第2 道；第2 道刷涂量为（1.0±0.1）g/dm2，放置7 d后测试。白榉贴面胶合板在刷涂第2 道前用400# 水砂纸轻轻打磨1 遍并擦去表面的浮灰。
涂膜外观：样板在散射日光下目视观察，如果涂膜均匀，无流挂、发花、针孔、开裂和剥落等涂膜病态，则评为“正常”。
粘度测定：按GB/T 1723—93《涂料粘度测定法》中的涂-4 杯法测定。

2 结果与讨论
根据客户的反映，对企业生产的水性木器漆的产品配方进行了分析。发现原产品配方中成膜助剂的用量达到了7%~8%（质量分数），而配方中丙烯酸改性聚氨酯乳液的用量约为88%（质量分数），通过产品说明书查得该乳液的最低成膜温度（MFT）为30℃，这表明配方中成膜助剂用量偏高。进一步对乳液进行不同用量的成膜助剂在0℃（刷玻璃板）下测其成膜性能，发现仅需相对乳液质量3%~4%（质量分数）的成膜助剂用量即可达到良好的成膜性能。通过对3 种常用成膜助剂不同添加量的对比，发现在该水性木器漆中成膜助剂用量超过4%（质量分数）后，体系的粘度急剧上升（见图1），导致产品严重增稠，从而影响了消泡性能。因此，先对产品配方进行了必要调整，调低成膜助剂的用量。

图1 成膜助剂用量对水性木器漆粘度的影响（20℃）
企业水性木器漆产品中使用的消泡剂为Dehydran 1293，添加量为0.8%~1.2%（质量分数），添加工艺条件为在2 000 r/min 下分散30~60 min，该消泡剂系一种非离子型特殊改性的聚二甲基硅氧烷，具有很强的抑泡和消泡功能，但因在水性体系中不易分散，需与成膜助剂和润湿分散剂等预混后在高速搅拌条件下加入以利分散。另外，根据生产实际情况，还需按不同批次产品中所产生和残留气泡的情况，在搅拌分散的后期补加0.1%~0.5%（质量分数）的NXZ 消泡剂，对产品进行消泡微调。该工艺的主要问题在于，在2 000 r/min 的高速搅拌下，乳液受到巨大的机械剪切力，搅拌过程产生大量气泡，在一定程度上抵消了消泡剂的抑泡和消泡作用。虽然这种搅拌产生的气泡绝大部分可以经过长时间静置后自行逸出表面消失，但是其逸出时间受到产品粘度、环境温度、静置条件、过滤方式和搅拌罐形状大小等的影响，难以准确计算。静置时间过长意味着生产和发货周期延长，成本上升。最后，在后期补加消泡剂Foamaster NXZ 时，因无法精确定量，对生产技术人员的经验依赖性极强，很容易造成消泡过量或不足。

根据企业和客户的要求，为降低搅拌速率对消泡性能的不利影响，需要对产品配方中的消泡剂进行调整。首先考察了多种消泡剂以不同的添加量在不同搅拌速率下加入，分散30~60 min，搅拌完成后均静置4 h，分别刷玻璃板和木板制样，观察其消泡性能，结果见表1。
表1 不同消泡剂在不同条件下对水性木器漆的消泡效果

注：“消泡不足”指漆液中仍有大量气泡存在；“消泡过量”指漆膜表面出现消泡凹陷；“较差”指漆膜中气泡较多；“一般”指漆膜中有少量气泡；“较好”指漆膜中无气泡或极少，但膜面不平整；“优”指漆膜中无气泡或极少，且膜面平整，以下皆同。

根据表1 中的结果，注意到在800~1 000 r/min的搅速下，加入0.5%（质量分数）的消泡剂1293，消泡效果较好。这表明在该转速下消泡剂1293 添加量不超过0.5% 时，通过控制滴加速率就能很好地分散于乳液中，而原配方中单纯依赖加大搅拌速率进行分散，反而会导致更多气泡产生，影响消泡效果。为进一步提高消泡效果，将1293 与其它几种消泡剂分别按不同比例混合，在700~1 200 r/min 的搅拌速率下加入，分散30~60 min，搅拌完成后均静置4 h，分别刷玻璃板和木板制样，观察其消泡性能，结果见表2。
表2 不同条件下消泡剂的协同作用对水性木器漆的消泡效果

表2 中结果表明：将消泡剂1293 和A34 均以0.3%（质量分数）混合搭配，在900 r/min 下加入时消泡效果最佳。FoamStar A34 是一种分子消泡剂，与传统的矿物油、硅油基消泡物质不同，该消泡剂对细泡也具有较强的消泡能力，此外还具有一定的润湿、流平作用。与1293 相比，它更有利于提高水性木器漆的光泽度，而且还具有很强的持久消泡能力，静置后无需补加其它消泡剂进行再消泡处理。由于调低了搅拌速率，减少了消泡剂用量，有效地降低了生产成本，而且因消泡剂可一次性定量添加，简化了生产工艺。该工艺优化方案经企业试用后效果良好，提高了产品质量，受到企业和客户的一致好评。