耐候快干水性木器实色漆的研究及其应用

刘成楼，陈学联，毛子辰，王立华
（唐山市思远涂料有限公司，河北唐山064000）

1 引言
受环境保护和资源利用政策的推动，水性木器漆有逐步代替溶剂型木器漆的趋势。但是，由于水性木器漆存在着漆膜硬度较低、丰满度较差、价格偏高（30 ～100 元/kg）、施工控制难度大等因素，在一定程度上制约了其在工业上应用的进程。目前，在水性木器漆涂装领域中，水性木器漆由底漆和面漆配套使用，面漆分清漆和色漆2 种，色漆又分为实色漆和透明色漆两大类。实色漆类似于溶剂型调和漆，含有大量的着色颜料和填料，有很高的遮盖力，涂在木材上遮实木纹，呈现出涂料的本色。本研究的目的是为市场研发一种性价比优良的水性木器实色漆，以用于木质表面的涂装。

2 试验部分
2.1 主要原材料
水性聚氨酯分散体（WPU）、丙烯酸微乳液（SLA）、水性丙烯酸－聚氨酯分散体（PUA），进口；润湿分散剂3275（科宁）；消泡剂：Foamex825（迪高）、BYK-024、Foamstar-A34、SN-Defoamer371（汉高）；防霉剂：LXE；增稠剂：TT935、RM-8W、RM-2020，罗门哈斯；流平剂：BYK-380；成膜助剂：二丙二醇甲醚（DPM）、二乙二醇丁醚（BDG）、乙二醇丁醚（BCS）、二丙二醇丁醚（DPnB）、2，2，4－三甲基－1，4－戊二醇单异丁酸酯（Texanol），陶氏，伊士曼；颜料（市售）；纳米SiO2 浆（首创）。

2.2 参考配方
水性木器实色漆的参考配方见表1。

2.3 生产工艺
⑴将配方原料1 加入搅拌分散灌中，低速搅拌下依次加入2 ~ 7，搅拌均匀后加入8，高速分散30 min，经研磨至细度小于25 μm 为合格，制备成颜料浆。
⑵将研磨后的颜料浆打入调漆罐中，在中低速搅拌下加入9，然后加入10 ~ 13，调pH 为8.0 ~ 8.5，黏度为80 ~ 95 KU，经过滤出料。

3 结果与讨论
3.1 水性树脂的选择
水性树脂是木器实色漆的主要成膜物质，是优良配方体系的关键组分。根据水性木器漆应用场合的不同，对树脂性能的要求也不同，用于户外涂装除了要求树脂的施工性、成膜性、干性、涂膜表观效果、耐磨耐划性及柔韧性以外，更强调树脂的耐水性和耐候性。采用水性聚氨酯分散体制备的水性木器漆具有低温成膜性好、流平性好、丰满度高、耐磨、手感好及抗回黏性好等特点，但是价格相对较高。丙烯酸乳液木器漆具有固含量高、干燥速率快、硬度高、成本低及耐候性好等特点，但是耐水性、抗回黏性及柔韧性差。丙烯酸-聚氨酯乳液（PUA）可将聚氨酯较高的抗伸强度和耐冲击性、优异的柔韧性和耐磨损性与丙烯酸树脂良好的附着力结合起来，制备出高固含量、低成本的水性树脂，以其制备的水性木器实色漆，完全能够满足户外木器涂装的性能要求。
本试验在参考配方中其它因素基本不变的条件下，只改变水性树脂的种类，分别制备水性木器实色漆，其性能对比见表2。

从表2 可以看出，WPU、SLA、PUA 三者制备的实色漆，在固含量、硬度、柔韧性及耐冲击性等方面有一定差别。由于WPU 固含量低（35%）、PUA 固含量高（47%），因此用WPU 制备的涂料固含量最低，用PUA制备的涂料固含量最高。根据户外用水性木器漆综合性能的要求，选择PUA 为实色漆的成膜物。

3.2 成膜助剂的选择
水性涂料所使用的成膜助剂又叫作聚结剂、助溶剂或共溶剂。它可以看作是聚合物乳液粒子内的增塑剂，主要功能是降低乳液的MFFT，改进涂料的流动性，提高涂膜的致密程度，以改善涂层的耐擦洗性能。水性木器漆中用的成膜助剂多数是醇醚类的溶剂，应用过程中一般是慢干和快干的搭配使用。通过2 种或2 种以上成膜助剂的搭配，才能保证水性木器漆的低温成膜性和体系稳定性的平衡。选择成膜助剂时，首先应考虑成膜助剂在水性体系中的相容性和溶解力，在水中溶解度小、溶解力弱的成膜助剂，其涂膜变色程度小，反之则变色明显；其次应考虑成膜助剂的挥发性，使用沸点较低、挥发速率快的成膜助剂，如选择乙二醇丁醚、二丙二醇甲醚时，虽然有利于涂膜快干，但会影响乳胶粒子的堆积、融合及长链分子的互相扩散，会降低涂膜的物化性能，还会引起涂膜表面泛白雾，因此应选用挥发速率适中、在成膜过程中能滞留在涂膜中发挥作用、成膜后又能全部挥发、且不影响涂膜性能的成膜助剂；再次，选择的成膜助剂应不影响涂料的稳定性、涂膜光泽及流平性，还应具有低毒性、高效作用等；最后，还应考虑添加量问题，在保证水性树脂低温成膜的前提下，应尽量减少成膜助剂的用量，以利减少水性木器实色漆中的VOC 含量。
在以PUA 为成膜物的实色漆中，成膜助剂用量均为3%的条件下，不同种类的成膜助剂对漆膜性能的影响见表3。

由表3 可以看出，当DPnB ∶ BDG=1 ∶ 1、添加量为3%时，水性木器实色漆的综合性能最好。

3.3 消泡剂的选择
在水性木器实色漆的生产过程中，由于乳液中的乳化剂、颜料润湿分散剂的存在，在高速搅拌和研磨过程中极易产生大量气泡；在施工时，要求施工黏度高、触变性强，具有很好的抗流挂性，并且多数采用中压混气喷涂，一次施工厚度可达250 μm，这样常使涂膜表面出现气泡，干燥后产生针孔，影响表观效果。因此，消泡剂的选择和搭配使用尤显重要，应选择那些在生产过程、施工过程和长期贮存后均有良好消泡能力且不使涂膜表面产生缩孔、鱼眼的品种。
在参考配方中其它因素不变的条件下，消泡剂的选择及用量对水性木器实色漆表观效果的影响见表4。

表4 所列的4 种消泡剂是经过大量试验筛选出来的，每种消泡剂在本研究体系中均可使用，从优中选优的原则出发，3 号和4 号搭配使用效果更佳。这是因为Foamex 825 是聚硅氧烷-聚醚共聚物的非离子型水包油乳液并含有二氧化硅，其在水性涂料的生产和施工过程中，具有抑泡和破泡的作用，并且特别容易混入，能提供较多的功效兼非常低的缩孔倾向。BYK-024 消泡剂是破泡聚合物和聚硅氧烷混合物，有优异的长效性和稳定性，对颜色的相容性和光泽无影响。将2 种消泡剂搭配使用，并在生产过程中分阶段加入，能取得理想的消泡效果。

3.4 增稠剂的选择
水性木器实色漆应具有较高的黏度和触变性，这样才不会在贮存过程中产生沉淀，在施工过程中产生流挂，便于厚膜涂装。在高触变体系里最适合的增稠剂是丙烯酸类和聚氨酯类，尤其是疏水改性产品，对涂膜的耐水性有明显改善。疏水改性丙烯酸缔合型增稠剂和非离子聚氨酯缔合型增稠剂配合使用，不但能提高涂料体系的黏度和触变指数，而且还有利于控制流平和防飞溅，并且提高贮存稳定性。试验证明，在水性木器实色漆中，增稠剂TT935、RM-8W、RM-2020 组合使用，可取得理想效果。

3.5 纳米SiO2 的作用
纳米SiO2 分子呈三维链状结构，比表面积大、表面自由能高，表面因严重配位不足而存在不饱和残键及不同状态的羟基，具有较高的活性。将纳米SiO2 分散到水性木器实色漆中，与PUA 水性树脂和水发生界面反应，形成三维空间结构，纳米SiO2 细粒子形成活性吸附中心，在涂膜中形成网络结构，从而增强了涂膜的致密度、韧性、平滑性及硬度；纳米SiO2 具有极强的紫外吸收、红外反射特性，对波长400 nm 以内的紫外光吸收率达70%以上，因此添加纳米SiO2 的木器实色漆耐老化、耐候性优异；纳米SiO2 粒子表面具有亲水性，在成膜过程中能与含有亲水性官能团的乳液反应，交联成网状亲水性涂膜，对提高涂膜的耐水性和耐沾污性有显著贡献；另外，纳米SiO2 的加入，还可以改善涂料的流平性和悬浮性，能有效地减少涂料在贮存期的沉淀和施工时的流挂。

3.6 性能检验结果
常规性能按HG/T 3828—2006《室内用水性木器涂料》检测；环保性按HJ/T 201—2005《环保标志产品技术要求水性涂料》检测；柔韧性按GB/T 1731—1993 检测；耐冲击性按GB/T 1732—1993 检测。结果见表5。

4 施工方法
水性木器实色漆可应用于中纤板木门、户外木质窗、百页窗、栅栏、窗框、园林木构物等木制品，可采用无气或中压混气喷涂，也可加适量水后用普通重力喷枪施工，流平性好。施工工艺流程如下：
基材处理（打磨、刮腻子）→水性封闭底漆→打磨→第二道封闭底漆→打磨→喷实色面漆（面漆可根据需要调配成各种颜色）