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催干剂在水性醇酸涂料中的应用
徐懿俊 （上海浦东新区计量质量检测所，201021）
时海峰 （上海涂料有限公司技术中心，200062）
催干剂也称为干料，是一种有机金属化合物，可以溶于有机溶剂和树脂中。从化学角度上讲，它属于金属皂类，加到不饱和油类和树脂中可大大缩短其干燥时间［1］。催干剂不但能有效地加快涂料的干燥速度，而且对漆膜的性能，如硬度、附着力、耐水性、耐候性、泛黄性和耐久性等的影响也较大。随着人们环保意识的增强，限制VOC（挥发性有机化合物）排放量的法律法规的制定，以及石油能源的紧张，传统的溶剂型涂料正受到越来越大的挑战，涂料的水性化趋势愈来愈迫切。水性醇酸涂料的研究得到了广泛重视［2］，其中催干剂在水性醇酸涂料中的应用是一个研究重点。水性醇酸涂料的氧化交联过程基本上与传统溶剂型涂料体系的氧化交联过程相一致，催干剂能显著地加快该氧化交联过程。但由于大量分散介质水的存在，以及中和剂、表面活性剂等的影响，会给涂料性能带来许多新的问题［3］。本文主要介绍催干剂在水性醇酸涂料中的应用，并讨论催干剂类型和用量对水性醇酸涂料性能的影响。
1 实验部分
1.1 实验设备和仪器
实验设备和仪器见表1。
1.2 原材料
水性醇酸树脂（75%，自制）、钛白粉（R595，杜邦公司）、HLD 061 钴催干剂（8%，自制）、HLD 064 锰催干剂（8%，自制）、Cobalt Hydro-Cure Ⅱ催干剂（5%，OMG 公司）、Octa-Soligen 421 催干剂（10%，OMG 公司）、润湿分散剂（BYK-190，毕克公司）、消泡剂（Foamex 810，迪高公司）、流平剂（BYK-333，毕克公司）、增稠剂（RM-8W，罗门哈斯公司）、pH 值调节剂（氨水，25％）、防结皮剂（Anti Skin 0445，OMG 公司）。
1.3 涂料配方及配漆工艺
水性醇酸白漆的配方见表2。
1.3.1 研磨色浆
（1） 在分散釜中加入配方量的助溶剂和去离子水，在搅拌情况下缓缓加入配方量的一部分水性醇酸树脂，使之稀释，然后加入pH 值调节剂，调整pH 值为7~8；
（2） 在搅拌情况下，缓缓加入配方量的消泡剂、催干剂和分散剂；
（3） 在搅拌情况下，缓缓加入配方量的钛白粉，然后用砂磨机进行研磨，直至细度小于20 μm；
（4） 达到要求细度后，放出色浆，并用计量的去离子水分3 次冲洗砂磨釜，将该部分冲洗水用于后面的配漆中。
1.3.2 混合
（1） 在调漆釜中加入配方量的助溶剂和去离子水（包括研磨色浆阶段的冲洗水），在搅拌情况下缓缓加入配方量剩余部分的水性醇酸树脂，使之稀释，然后加入pH 值调节剂，调整pH 值为7~8；
（2） 在搅拌情况下，缓缓加入配方量的消泡剂、流平剂和增稠剂等助剂；
（3） 在搅拌情况下，缓缓加入1.3.1 所得的色浆。
（4） 检测pH 值，用pH 值调节剂调整pH 值为7~8，加适量的去离子水调节黏度；
（5） 用80~120 目的滤网过滤，即制得水性醇酸白漆。
2 结果与讨论
2.1 涂膜干燥性能测试
按照GB/T 1727 规定，在200 mm×300 mm 大小的玻璃底板上，以刷涂法制备涂膜，涂膜厚（23±2）μm。在温度为（23±2）℃，相对湿度为（50±5）% 的条件下干燥。以吹棉球法测定涂膜的表干时间，并观察涂膜是否结皮，测试结果见表3。
从表3 可以看出：4 种催干剂均有较好的催干效果，且随着催干剂用量的增大，涂膜的表干时间缩短。HLD 061 用量过大，容易引起涂膜结皮，主要是因为其用于涂料后，涂膜表面干燥快而结膜，而底面干燥慢仍为液体，表面膜呈胶束状，吸收底部液体中的低分子聚合物而膨胀致使涂膜变形而结皮。故在使用钴催干剂时，要严格控制其用量，避免引起涂膜结皮。从表3 还可看出：催干剂用量提高到1％时，均能显著提高涂膜的干燥速度，但再增大催干剂用量，干燥速度却变化不大，反而使涂膜有结皮的危险。
2.2 催干剂稳定性评价
在水性醇酸涂料贮存过程中，催干剂会直接影响涂料的开罐效果（包括涂料黏度增大和颜料絮凝沉降等），同时，在涂料贮存过程中，催干剂也会因为水解和部分有效成分被颜料吸附而降低催干效果。因此，催干剂在涂料中的稳定性也是评价催干剂性能的一个重要指标。将制备好的水性醇酸涂料分别用相同大小的透明玻璃瓶密封，在50℃烘箱中贮存30 d 后，观察涂料的开罐效果并测试涂膜的干性，结果见表4。
从表4 可看出：含有Cobalt Hydro-Cure Ⅱ和Octa-Soligen 421 催干剂的水性醇酸涂料贮存稳定性较好。HLD 061 和HLD 064 是含有单一钴或锰的金属皂，在涂料中易被颜料吸附，最后导致在贮存30 d 后严重失干。Cobalt Hydro-Cure Ⅱ贮存30 d 后，其催干性能没有明显的变化。主要因为它是水分散型复合催干剂，用于水性醇酸涂料中，在贮存过程中不会因为水解而失去干性，同时，其含有的其它金属皂能被颜料优先吸附，以降低颜料对其有效成分的吸附，从而减少对催干性能的影响。从表4 还可看出：用这4 种催干剂制备的水性醇酸涂料贮存后的漆膜均无结皮现象。
2.3 水性醇酸白漆性能测定
按GB/T 1727 规定的马口铁板制板。在温度为（23±2）℃，相对湿度为（50±5）% 的条件下养护7 d 后，进行性能测定，结果见表5。表5 的结果表明：CobaltHydro-Cure Ⅱ和Octa Soligen 421 催干剂制备的白漆性能均符合常规的性能指标。
上述水性醇酸白漆的性能指标按国家涂料标准测试：干燥时间按GB 1728—89；光泽按GB 9754；柔韧性按GB/T 1731—93；耐冲击性按GB 1732—79；铅笔硬度按GB 6739—96；附着力按GB 1720—79；杯突试验按GB/T 9753—88；耐水性按GB 1733—93。
3 结语
催干剂能加速水性醇酸树脂涂料的干燥，本文选择了4 种不同类型的催干剂进行研究。HLD 061 和HLD064 是单一的钴或锰金属皂催干剂，虽能提高干燥速度，但用量过大时，容易引起结皮；在涂料贮存稳定性方面，单一的钴或锰催干剂容易被颜料吸附而失干。
Cobalt Hydro-Cure Ⅱ和Octa Soligen 421 是复合型催干剂。Cobalt Hydro-Cure Ⅱ在提高干燥速度和贮存稳定性等方面效果明显，但Cobalt Hydro-Cure Ⅱ价格较高，一般用在较高档的涂料中。如果用在较普通的场合，Octa Soligen 421 的性价比较高。
本文还对催干剂的用量进行了评价。随着催干剂用量的增大，涂膜的干燥速度明显加快，但催干剂用量过大，会给涂膜带来结皮等弊病。通过实验表明：催干剂用量为1% 时效果较好。
