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1 前言
水性木器漆的发展顺应了环保法规的要求, 大量减少了木器漆中有机化合物的释放量(VOC) ,正在成为继内外墙建筑乳胶涂料之后的又一市场热点。水性木器漆发展的原动力来自于水性树脂技术的创新、发展与成熟, 漆膜的各项性能主要取决于水性树脂性能, 但配方技术也占有重要的地位, 而配方技术的核心就是助剂的选择与合理应用。与溶剂型木器漆一样, 按施工的先后顺序, 水性木器漆可分为水性腻子、水性封底漆、水性面漆; 根据面漆中颜料的含量, 面漆可分为清漆和着色漆; 根据面漆的光泽度又可分为高光面漆、半光面漆和哑光面漆等。它们各有其性能特点和要求。水性木器面漆在性能上与溶剂型木器漆要求相同, 但是用水替代了有机溶剂后, 从生产到施工、漆膜性能的控制等, 均产生了新的技术难题, 笔者在实践中发现, 出现的技术难题可以从相对比较成熟的溶剂型木器漆技术和水性乳胶涂料技术两个角度考虑加以解决: 一方面, 水性木器漆多用于门窗、附墙板、地板、家具等, 多为清漆, 光泽从高光到哑光, 透明、丰满度高、手感好、漆膜平整度高。在漆的润湿、流动、流平、漆膜表面缺陷控制等方面可以参考溶剂型木器漆的特点。另一方面,水性木器清漆中, 树脂固含量大约占30 % , 其余60 %～70 %为水和有机溶剂。水的表面张力高, 为72mN/ m , 对基材的润湿能力差; 水性树脂体系为乳液型或水分散型, 如要分散稳定, 需要添加多种助剂, 是一个较为复杂的体系, 与溶剂型相比, 体系的相容性易出现问题。溶剂型木器漆多为树脂溶液, 有机溶剂的表面张力数值约为( 30 ～ 40 )mN/ m , 润湿好, 溶解能力强, 体系相容性较好。因此, 水性木器清漆作为一个水油两相体系, 必然会存在表面张力不平衡、起泡与消泡、流动与流平等影响漆膜表面性能的问题。
2 表面张力不平衡对水性木器面漆的影响
211 润湿剂的选择
水性木器漆从涂膜形成开始到干燥为止的过程中, 始终存在表面张力不平衡的现象。
首先是在润湿过程———指基材表面的空气被液体涂料所取代的过程, 良好的润湿过程要保证液体涂料的表面张力小于基材的临界表面张力。水性木器清漆的构成为水性树脂(占30 %) 、水、助溶剂(多元醇醚类等) 、助剂; 水性树脂的种类有丙烯酸乳液、丙烯酸分散体、聚氨酯分散体(单组分、双组分) 、丙烯酸/ 聚氨酯混合物等。水性木器树脂的表面张力与树脂的种类和分散状态有关, 一般水性醇酸树脂、聚氨酯分散体的润湿性较好, 而丙烯酸乳液或分散体的表面张力较高, 润湿性较差。水的表面张力高, 助溶剂的表面张力较低。要实现良好的润湿、铺展效果, 必须选择适当的基材润湿剂。基材润湿剂能有效降低体系的表面张力, 增加对木材的润湿性和渗透性, 提高层间附着力。基材润湿剂主要为各类表面活性剂: 非离子(如烷氧基醚类) 、阴离子、炔二醇类、聚醚改性聚硅氧烷类。作为水性木器漆润湿剂, 要求用量少, 降低表面张力效率高, 相容性好, 一般要溶于水, 与体系其它组分相容性好, 不会引起重涂和附着力下降的问题, 低气泡, 不稳泡, 对水的敏感性低。常用的润湿剂性能比较见表1 。
注: 1. 括号内数值为水溶液中表面活性剂浓度; 2. Cognis 公司产品。
从表1 中看出, 聚醚改性聚硅氧烷降低表面张力效率高, 低泡, 不影响重涂, 耐水性好。
212 润湿剂应用性能对比
润湿剂除了对基材润湿有显著作用, 还调整漆膜干燥过程中表面张力不平衡, 改善漆的流动与流平, 是实现漆膜平整度控制的主要因素。比如, 在涂膜干燥过程中, 随着溶剂和水的挥发, 会出现贝
纳尔德旋涡现象, 是由于溶剂的挥发导致体系在垂直和平面上出现表面张力差, 导致漆膜不平整(如缩孔、桔皮、针孔、缩边等) , 润湿剂可以起到调整体系表面张力、改善组分之间的相容性的作用。
以下做了在丙烯酸/ 聚氨酯分散体中润湿剂的应用性能比较实验。实验配方见表2 。
在2000r/ min 下高速分散60min 后慢速消泡,在木板、3M 胶片上涂刷, 评价润湿性和流平性,结果见图1 。
实验结论:
润湿性: H – 140 、H – 875 > H – 110 、对比产品> H – 120
抗缩孔: H – 140 > H – 875 > H – 110 、H -120 、对比产品
抗起泡: H – 120 > H – 110 > H – 140 > 对比产品> H – 875
3 起泡与消泡对水性木器面漆的影响
与其它的水性涂料一样, 水性木器漆的生产和施工过程会引入空气, 并产生气泡; 另外, 某些树脂在成膜过程中发生化学反应, 也会产生气泡; 漆膜涂布过程中, 会将基材空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、基料中的低分子量的成分等。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。
311 消泡剂的消泡机理
一般认为消泡可分为以下四个过程: 消泡剂吸附到泡膜的表面; 消泡剂渗透到泡膜的表面; 消泡剂在泡膜表面上扩散, 并吸附表面活性剂; 泡膜的表面张力不平衡———破泡。
312 消泡剂的特性
消泡剂应具有以下特性: 消泡剂的表面张力要小于需消泡液体的表面张力; 在需消泡液体中的溶解度要尽量小; 要有良好的分散性、较强的扩散力; 不能与所要消泡的液体起反应, 不能影响乳液、树脂的稳定性; 消泡持久性好。一个好的消泡剂应同时具有抑泡和破泡作用:①抑泡作用: 在高速分散、剪切过程, 能够抑制气泡的产生, 并能聚结和排除小泡, 使气泡提高上升速度; ②破泡作用: 能够破除已经产生的气泡, 通常是大泡。一个好的消泡剂还应该具有持久消泡能力: 消泡剂的有效物质在到达泡膜后, 吸附了泡膜上的表面活性剂后, 破除了气泡, 同时提高了自身在水中的分散性, 从而失去了继续消泡能力, 这与水性涂料中表面活性剂的种类和用量有关, 也是造成水性涂料长期贮存后, 消泡剂的消泡能力下降的原因。
313 消泡剂的主要成分
(1) 载体、扩展剂———矿物油、石蜡、含氧油、天然油、脂肪醇。
(2) 表面活性剂分子的吸收剂———蜡皂、氨基化合物、疏水二氧化硅。
(3) 机械破坏泡沫壁层, 同时也是扩展剂和表面活性剂的吸附剂———硅油、改性硅油。
(4) 调节相容性———非离子表面活性剂。
由上述成分构成的各类消泡剂在水性木器漆中的使用情况不同, 在面漆中的应用比较复杂。
314 矿物油类消泡剂应用实验
在高光泽、高透明性的水性木器面漆中, 首先要求消泡剂与体系的相容性好, 不会影响漆膜的透明性和光泽。矿物油类的消泡剂在漆膜干燥后, 矿物油会浮到漆膜表面, 导致漆膜表面发乌; 含有固体疏水颗粒(二氧化硅、蜡皂) 的消泡剂, 根据使用量的不同, 也会带来不同程度的发乌现象, 影响透明性。含矿物油类消泡剂实验结果见表3 。
注: * Cognis 产品。水性树脂E – 106 : 88 %; 丙二醇丁醚: 2 %;润湿剂140 : 0.4 %。
315 消泡剂单独或配合应用实验
在评价消泡剂相容性时, 还要保证在适当的润湿剂用量下, 消泡剂不会导致漆膜明显的缩孔和不平整。最后, 综合评价消泡剂的抑泡、破泡能力, 消泡持久能力。有时根据需要, 将两种消泡剂配合使用, 才能取得满意的消泡效果。在水性体系中, 含有机硅成分的消泡剂抑泡效果明显, 可用于生产阶段消泡; 水分散性好、含疏水颗粒的消泡剂破泡效果显著, 用于施工阶段消泡效果显著。表4、表5 为几组消泡剂评价实验, 结果表明单独或配合使用消泡剂都可以取得满意的消泡效果。
注: Ⅰ为星型聚合物分子与改性聚硅氧烷混合物; Ⅱ为聚醚改性聚硅氧烷溶液; Ⅲ为聚醚改性聚硅氧烷(活性成分100 %) ; Ⅳ为聚醚改性聚硅氧烷, 含疏水无机硅。水性树脂E – 106 : 88 %; 丙二醇丁醚: 2 %; 润湿剂: 0.4 %。
从表4 可以看出, 对比产品1 为浓缩型有机聚硅氧烷溶液, 在水性体系中的良好分散性取决于剪切强度, 制成的成品漆必须借助于施工工艺(如喷涂等) , 才能实现良好的消泡效果。对比产品2 为聚醚改性聚硅氧烷, 含疏水无机硅, 破泡效果好,但会带来漆膜发乌等现象。FoamStar A34 、A38 在具有抑泡、脱泡功能的同时, 还具有较为明显的润湿、流平作用。FoamStar A3 系列消泡剂为分子级消泡剂, 其独特的星状聚合物分子结构渗透到气泡膜上起到降低气泡膜强度、消除气泡的作用, 同时又有润湿、流平的效果, 但要针对具体的水性树脂进行选择, 避免出现相容性差的问题。Dehydran1293 为低浓度聚醚改性聚硅氧烷溶液, 它在水性体系良好的分散性, 提高了破泡能力。因此, 可以单独使用1293 , 或可以将1293 和A34 配合使用,同时起到抑泡、消泡和润湿作用, 取得满意的消泡效果。实验结果见表5 。
注: 水性树脂E – 106 : 88 %; 丙二醇丁醚: 2 %; 润湿剂H – 140 :0.4 %。
消泡剂的选择还要根据具体的树脂类型进行选择。表6 为在丙烯酸乳液中的消泡剂性能比较实验。
注: 水性丙烯酸乳液A – 633 : 78 %; 乙二醇丁醚: 8 %; 润湿剂H- 140 : 0.4 %。
从以上实验结果看, 在水性丙烯酸乳液体系中, 对比产品2 综合消泡能力最好。而Dehydran1293 的通用性强, 在水性聚氨酯树脂体系和水性丙烯酸乳液体系均适用。
4 流动和流平性对水性木器漆面漆的影响
液体涂料具有良好的流动性和流平性, 才能保证形成一个平整、光滑、均匀的漆膜。流动与流平性不好, 漆膜会留下刷痕、缩孔、缩边、针孔、流挂等弊病。实现良好的流动与流平性, 可以从几方面考虑: 调整体系表面张力、改善组分相容性、控制涂料的流变性能、调整干燥时间等。
411 表面控制助剂对流平性的影响
调整体系表面张力, 首先要合理选择润湿剂,还可以添加表面控制助剂, 表面控制助剂通常为长链(较高分子量) 聚醚改性聚硅氧烷, 这类高分子量的表面活性剂, 干燥过程中在漆膜表面定向, 改善了涂膜表面的平整度, 同时降低了漆膜表面张力, 起到了润湿和防缩孔的作用, 提高了漆膜的平滑性和抗划伤性能。如果种类和用量不当时, 可能会带来气泡并影响漆膜的重涂性。应用于水性体系的表面增滑流平剂如Perenol S5 (Cognis) , 在提高表面平整度的同时不会带来气泡。
412 流变改性剂对流动和流平性的影响
水性木器漆的流变性能控制, 可通过添加适当的流变改性剂解决, 取得流平和流挂性能的平衡。疏水改性聚氨酯缔合型增稠剂可以与水性树脂的疏水基团进行缔合, 改善抗流挂性能, 如DSX1550 、DSX3256 、DSX3290 ( Cognis ) , DSX3256 为零VOC 高度透明的聚氨酯流变改性剂, 适用于低VOC、高透明度的面漆; DSX3290 为强触变性增稠剂, 适用于喷涂工艺, 抗流挂。采用在高剪切速率下高粘度的流变改性剂, 可以提高水性木器漆在高剪切速率下的粘度, 改善涂刷手感, 提高一道涂刷厚度, 改善流动和流平性能, 如DSX2000 、DSX3000 , 其中DSX3000 为零VOC 流变改性剂。
413 助溶剂对流动和流平性的影响
水性木器漆配方中要应用一定量的助溶剂, 其作用是辅助树脂成膜, 降低水溶液的表面张力, 改善流平、流动性能, 增强体系的相容性, 延长漆膜干燥时间。常用的助溶剂为醇醚类及其醚酯类, 如乙二醇甲醚、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、丙二醇丁醚等, 由于多元醇醚类具有较低的表面张力, 溶解能力强, 挥发速度低, 并且随着挥发过程进行, 该类溶剂的表面张力不会变大, 考虑到对人的毒性,最好选择丙二醇醚及其醚酯类。
5 结论
通过以上分析可以知道, 研制水性木器漆面漆配方时, 要获得比较完美的漆膜外观, 需针对具体的水性树脂, 选择助溶剂、润湿剂、消泡剂、流平增滑剂、流变改性剂, 并调整用量取得各项性能的平衡, 同时还要结合涂装工艺。具体情况如下: 聚醚改性聚硅氧烷类润湿剂, 如H – 140 润湿性能好、起泡性低, 可改善水性木器漆的基材润湿性和流平性能; 聚醚改性聚硅氧烷类消泡剂, 如Dehydran 1293 的相容性好、通用性强, 消泡效果好,可用于各类水性树脂体系; FoamStar A34 在具有良好的抑泡性的同时, 还具有一定的润湿作用, 通常两种消泡剂配合使用可以取得最佳效果; 有机硅表面控制助剂Perenol S5 可以明显改善水性木器漆的流平性,提高漆膜平整度; PU 类缔合型增稠剂DSX1550、3290、3256 , 与流平剂DSX2000、3000 等配合或单独使用可以取得水性木器漆流平和流挂的平衡。其它功能助剂, 如乳化蜡可改善漆膜滑爽性, 消光粉可改变光泽等。
