水性聚氨酯木器漆性能及应用研究

宁超峰, 潘施宏, 陆亨荣, 汪维
(上海市建筑科学研究院, 上海200032)

1 前言
随着人们环保意识的增强,特别是各国环保法规对涂料体系中挥发性有机化合物(VOC) 含量的严格控制,促进了以水性涂料为代表的低污染型涂料的发展。目前使用量最大的聚氨酯(PU) 木器漆,含有大量对人体有毒有害的有机溶剂,在使用过程中对环境造成污染,因此,有利于环保及人们身体健康的水性漆应运而生,目前工业发达国家已有若干水性木器漆供应市场,他们的溶剂型木器漆消耗量逐
年下降,水性木器漆用量逐年上升。

水性木器漆品种主要有水性醇酸漆、丙烯酸乳液涂料和聚氨酯水分散体涂料等。水性醇酸漆在贮存过程中会水解,钴催干剂与乳液中含有的乙氧基非离子表面活性剂、胺及颜填料等形成络合物,降低涂膜的干燥速率;丙烯酸乳液涂料的外观和耐化学性较差; 而高性能和低VOC 含量的水性聚氨酯涂料,由于其分子具有“可裁剪性”,结合新的合成和交联改性技术,可以有效控制涂料的组成与结构,从而使其具有很高的强度、特别耐磨损、使用安全、无毒、不燃、无环境污染等优异性能,可广泛用于涂料、粘合剂、木材加工、轻纺、印染、皮革加工、建筑和造纸等行业。水性聚氨酯涂膜性能达到甚至优于传统溶剂型涂料,已成为发展最快的涂料品种之一。

2 水性聚氨酯分散体的制备及性能
2. 1 水性聚氨酯分散体的制备方法
在水性聚氨酯的制备中,丙酮法和预聚体混合法是最重要的两种方法,其他方法包括熔融分散法、酮亚胺P酮连氮法、端—NCO 预聚体封闭法等。丙酮法是指在水性聚氨酯的制备中采用丙酮作为溶剂来制备预聚体及高分子量的聚氨酯,然后加水分散后蒸除溶剂得到水性PU 分散液。丙酮法得到的产品质量较好、重复性好,因为聚合物的形成主要是在均相溶液中进行的,且丙酮与水的混溶性好,对分散过程有利。使用丙酮的另一个好处是通过可逆的酮亚胺反应抑制了胺扩链时—NCO 与—NH2 的反应活性,避免了溶液粘度过大和凝胶的形成。丙酮法的缺点是只能生产线型PU 产品。由这种方法生产的水性聚氨酯配制的涂料漆膜较软、耐化学性差;另外该法因为用了丙酮作溶剂,造成经济性和安全性差。由于丙酮法生产工艺较简单,目前国内水性聚氨酯的生产基本都采用此法。

预聚体混合法是首先合成含亲水基团的预聚物,中和分散后进行扩链而得到稳定的PU 乳液。制备的关键是要控制预聚体的分子量和官能度,避免粘度过高和因缩二脲或脲基甲酸酯的生成带来的支化反应;分散应在低温下进行,以免NCO 与水反应过快。预聚体混合法的优点在于不用或少用溶剂;扩链时可用多官能度胺以产生微交联结构,提高产品的性能;PU 分子量的高低或微交联结构对乳液的粘度没有明显影响,可以方便地得到高分子量、高固体分的产品。缺点是扩链反应在异相进行,即胺需要从水相扩散进预聚物粒子中才能与NCO 反应,所以无法化学计量控制,往往造成产品质量和重复
性低于丙酮法。我们经大量试验,在良好的工艺控制条件下,用预聚体分散法同样能得到重复性较好而质量明显好于丙酮法的产品,样品的合成均采用预聚体分散法,有的样品采用丙烯酸酯进行了改性。

2. 2 预聚体分散法合成水性聚氨酯的合成路线

2. 3 预聚体分散法合成水性聚氨酯的合成工艺
(1) 先由低聚物二元醇(100 ℃下抽真空2 小时干燥后) 、过量的二异氰酸酯和亲水性单体在80 ℃下加热反应4 小时,制得亲水性预聚体。
(2) 将预聚体降温至60 ℃,然后加入中和剂、丙烯酸酯单体,使预聚体与丙烯酸酯单体混合物保持在50～55 ℃。
(3) 称取一定量的水,将预聚体与丙烯酸酯单体混合物分散入水中,然后加入定量的扩链剂,同时升温扩链与聚合,制得水性聚氨酯分散体。

2. 4 水性聚氨酯分散体的性能(见表1)

3 　水性聚氨酯木器漆的配制及其性能
3. 1 水性聚氨酯木器漆的配制
水性漆的组成除树脂主体外,还包括消泡剂、流平润湿剂、成膜助剂、抗划伤剂及增稠剂等助剂。我们经试验选择了各种合适的助剂及其用量。其典型配方见表2。

3. 2 水性聚氨酯木器漆的性能
我们将自行配制的木器清漆按部颁溶剂型聚酯聚氨酯木器漆标准(HGPT 3608 – 1999) 进行了测试,其主要性能与标准要求列于表3 中。

　　由表3 可见,我们研制的水性聚氨酯清漆的硬度、耐醇性、耐水性及耐磨性均较好,达到了溶剂型聚酯聚氨酯木器漆标准(HGPT 3608 – 1999) 的要求,其性能完全可与溶剂型聚氨酯漆媲美。

4 水性聚氨酯木器漆的施工
一般家庭木器装修可采用手刷施工或喷涂施工的方法涂装,其中尤以刷涂最为普遍,但喷涂施工效果更好。对于水性漆而言,有所谓底面合一型漆,即底漆与面漆完全相同,涂施多遍即可;多数是底漆、腻子与面漆配套使用。对于水性聚氨酯漆,一般需配套使用底漆与腻子。底漆与腻子的配制可使用水性聚氨酯乳液,也可使用丙烯酸酯乳液。

4. 1 施工前的准备
涂装应在木工活结束后进行,涂装场所务必清理干净,不得有积尘、飞尘、杂乱物品,否则会影响涂装效果。涂装宜选晴好天气进行。喷涂施工前必须将不需喷涂处遮盖严实,以免漆雾沾染。

4. 2 涂装工艺流程:

4. 3 涂装注意事项
(1) 水性聚氨酯木器漆的最佳施工条件是:温度15～30 ℃;相对湿度55 %～80 %。过高或过低的温湿度可能导致涂装效果不良,例如出现流挂、起痱子、桔皮、起泡等弊病。在不满足最佳施工条件时如果要进行涂装,请先试验涂装效果是否满意。
(2) 垂直面上喷涂涂装时,应将漆液加10 %～20 %的清水稀释后喷涂,喷涂要薄。刷涂时蘸漆量宜少、薄涂,以免流挂,应量少薄层多道施工。
(3) 如果感到漆液粘度高,可适当兑入清水调到粘度合适再施工。
(4) 尽管水性木器漆表干快,但是漆膜中的水分完全逸出需要较长时间,通常干燥7 天后才能达到最终强度(冬天时间还应适当延长) ,在此之前已涂装的木器要小心对待,不得叠压、覆盖、碰撞,以免造
成损伤。