聚氨酯丙烯酸水性木器涂料附着力影响因素的研究

聚氨酯丙烯酸水性木器涂料附着力影响因素的研究

孔　霞1, 2 ,瞿金清1 ,朱延安2 ,曹树潮2 ,陈焕钦1
(1. 华南理工大学化学与化工学院,广州510640; 2. 广东嘉宝莉化工有限公司,广东江门529085)

0　引　言
为了美化人类的生存环境,各国环保法对涂料体系中有机挥发物含量的严格限制促进了以水性涂料为代表的低污染型涂料的发展[ 1 – 2 ]。水性木器涂料是以水代替有机溶剂作为分散介质,大大减少了涂料中有机溶剂的挥发对大气环境和人体的危害,也减少了施工过程中的火灾危险。水性聚合物乳液在胶粘剂和涂料方面的应用,决定了其粘性行为主要表现在粘结性和附着力方面。涂料消费者对涂料的要求是,涂膜即使长期暴露在热、冷、湿的环境下,或是长期受到化学介质的侵蚀,也能抗剥落和抗渗透。然而水性涂料因水的渗透性弱,对基材的润湿性差等原因导致涂膜在基材上难以产生良好的附着。由于木材的复杂多样性和聚合物乳液的性能各异性,使对木质底材和水性涂料间的界面特性的研究有难度。虽形成了相关的粘附理论,如吸附、扩散、化学键理论等,同时研究者从微观上解释木材分子和涂料分子之间的相互作用和粘附机制[ 3 ] ,从化学键方面解释涂膜在木材方面的粘结行为。但是这些作用机理和解释仍不能为涂料配方师带来足够的指导。本文拟从对聚合物乳液润湿性的控制角度入手,考察聚合物乳液成膜后在木材上的附着力行为,期望对水性涂料的性能完善提供一些新的思路。

丙烯酸酯聚合物具有优异的耐候性,但涂膜存在热粘冷脆的缺点;水性聚氨酯涂料具有良好的低温成膜性、耐高温回黏性、高耐磨损等[ 4 ] ,但聚氨酯乳液的自增稠性差、固含量低,较大程度地影响了它的推广应用[ 5 ]。聚氨酯聚丙烯酸酯杂合乳液综合丙烯酸树脂和聚氨酯树脂的性能,具有较好的发展前景。本文以聚氨酯聚丙烯酸酯杂合乳液作为水性木器涂料的基料树脂,对其涂膜在木材上的附着力从润湿的角度进行表征,详细考察乳液体系、涂布量、基材润湿剂、附着力促进剂、成膜助剂等对涂膜附着力的影响。

1　实验部分
1. 1　主要原料
聚氨酯丙烯酸酯杂合乳液:工业品,广东嘉宝莉化工有限公司提供;基材润湿剂surfyn0 l – 104 E:工业品,美国气体化工产品有限公司;消泡剂BYK025:工业品,德国毕克化学公司;成膜助剂二丙二醇丁醚:工业品,美国陶氏化学公司;增稠剂RM2020:工业品,罗门哈斯有限公司;附着力促进剂:γ – 缩水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷(wetlink78TM ) ,工业品,美国康普顿有限公司;黑胡桃木:工业品; 150#砂纸、240#砂纸、400#砂纸、600#砂纸、800#砂纸:工业品,广东嘉宝莉化工有限公司提供。

1. 2　水性木器涂料涂配方与配漆工艺
水性木器高光清漆配方见表1。
表1　涂料的基本配方

　　称取配方量的PUA置于搅拌缸中,中速搅拌下将规定量的润湿剂、水、成膜助剂、流平剂、防冻剂、流变改性剂等加入到PUA乳液中,加入增稠剂以调整到合适黏度,调整转速以完全分散。最后,将附着力促进剂和共溶剂预混后缓慢混入到涂料体系,过滤包装备用。

1. 3　木材表面砂磨处理
将同一规格的水曲柳板材利用不同目数(150目、240目、400目、600目和800目)的砂纸进行砂磨5 min,编号a～e,记录备用。

1. 4　漆膜性能测试
交叉划格胶带试验法测漆膜附着力: 按GB /T 9286—1998规定测试。
漆膜剥落率: 按ASTM—D219 法采用刀片试验或刀刮试验。

2　结果与讨论
2. 1　涂膜附着机理(内应力和附着力—润湿和附着)
漆膜的附着力是指漆膜与被附着物体表面之间,通过物理和化学作用相互粘结的能力。一般而言,涂层在基材表面的作用方式可以分为2种形式:物理吸附与化学键合[ 6 ]。任何基材表面都存在一定的缺陷或孔洞,缺陷与孔洞的存在不仅使其与涂层接触的表面积有增大的可能,增加了涂层与基材之间接触的活性点,亦为涂层对基材的渗透提供了可能。对于多孔性的介质,涂料很容易通过孔隙渗入基材内部,其结果是涂层与基材的相互介入。涂层物理吸附作用的大小取决于二者接触面积的大小(渗透越深,接触面积越大)及相互缠绕的程度,而缠绕的几率取决于涂料基料的支化结构、活性官能团浓度及涂料固化后的交联密度,适宜的支化结构和交联密度有助于形成缠绕。对于木材,可以通过提高表面的多孔性和粗糙性,提高了与涂膜的接触面积;另外应对木材表面进行除油、除污等表面处理,清除基材表面孔隙中的杂质,有利于涂料对基材的润湿和扩散,以提高涂膜的附着力。化学吸附事实上是通过静电作用产生的连接,它是涂层中的某些基团与基材中的原子或基团发生相互作用,形成新的化学键,通过键合促进涂层在基材表面的润湿。提高化学吸附能力的方式包括2个方面:增加底材表面的活性点和在涂层中引入足够量的可与基材表面原子键合的基团。增加底材表面活性点数量的途径包括基材表面粗化与基材表面氧化。其实粗化的过程不仅增加了底材与涂层的接触面积,亦提高了涂料对基材的润湿性,增多了单位面积的活性点,它是一个对物理与化学吸附都有益的措施;而基材表面氧化的途径很多,如氧化剂粗化、等离子体或电晕氧化等,它是直接将非极性或弱极性的官能团转化为强极性基团的过程,形成氢键、共价键或离子键等,达到提高涂层间反应能力的目的。木材表面特性对于涂膜形成及最终粘结强度有较大的影响。木材表面化学性质及其主要官能团,还有表面自由能及其润湿性极其复杂,对于本文最终的研究有非常密切的关系。木材纤维表面的亲水性会引起对环境水分的吸附,会在木材表面和涂膜间形成弱边界层,降低木材聚合物界面结合力。

2. 2　木材粗糙度对涂膜附着力的影响
木材的粗糙度直接影响水性涂料对木材的渗透深度。粗糙度越大,渗透程度越深。文献[ 7 ]中指明,高渗透使木材和涂料相接触的比表面积增大,互相作用的几率增高,故对提高粘附强度有所贡献。但是实验结果显示,随着砂纸目数变大,粗糙度越来越低,附着力没有明显变化。这可能是因为水性涂料在该板材上的渗透较好。

2. 3　涂布量对涂膜附着力的影响
图1是面漆涂膜厚度对附着力的影响。

图1　涂膜厚度对附着力的影响
从图1可以看出,随着漆膜厚度的增加,附着力降低。这是因为在漆膜厚度增大以后,水难以挥发,造成涂膜在垂直底材方向上的收缩经过累积而增强,使涂膜与底材间的作用力削弱;另外,测试时漆膜内部的受力部位变大,垂直方向上任何一个部位因为应力被破坏都会影响到该部位的完整程度,因此更容易产生外观上的不完整,使涂膜的附着力差。所以,在保证漆膜使用性能的前提下,漆膜尽量薄对附着力有利。另外在实验中还发现,底漆的涂布量对整个涂膜的附着力也有影响。选用不同底漆漆膜厚度的样板涂布面漆,发现随着水性封闭底漆的涂布量的增加,漆膜的附着力先增大后又降低,封闭底漆直接与木材接触,漆膜渗透到木材表面的毛细导管和其他细小沟槽里,增加了涂层与基材之间接触的活性点,涂布量太小,涂料与基材不能形成足够的活性点,附着力较低,随着封闭底漆涂布量的增加,涂层与基材接触的活性点增加,涂料渗透加深,接触面积增大附着力上升。但涂布量太大,部分涂料不能够渗透到木材的毛细空隙结构中而堆积在表面,导致附着力降低。

2. 4　基材润湿剂对涂膜附着力的影响
涂料对基材的润湿程度直接影响到漆膜在基材上的附着性能。基材润湿剂104 E的用量对水性PUA木器涂料漆膜附着力的影响如图2。

图2　基材润湿剂用量对涂膜附着力的影响
从图2可知,随着基材润湿剂用量的提高,涂膜剥落率不断减小,漆膜附着力逐渐增强。当基材润湿剂的质量分数增大到017%时,继续提高基材润湿剂的用量,对改善漆膜附着力的帮助作用不大,反而影响涂膜的其他性能如流平性、耐水性等。由此可见,在水性透明基料中添加一定剂量的基材润湿剂,有助于漆膜附着力的提高。

2. 5　附着力促进剂对涂膜附着力的影响
实验中选用wetlink78TM为附着力促进剂,增强涂料对玻璃基材的附着能力。wetlink78TM的用量对涂膜附着力的影响如图3。

图3　硅烷偶联剂用量对涂膜附着力的影响
从图3可知,该环氧硅烷对涂膜附着力具有很大的影响,随着用量的增加,涂膜剥落率减小,涂膜附着力上升,增加到一定量时,继续增加用量,涂膜附着力不再增强,且对涂料的黏度影响较大, 稳定性降低。因此用量不易过大, 控制在0.5%～1.0%。

216　成膜助剂对涂膜附着力的影响
成膜助剂是小分子化合物,并与聚合物有很好的相容性,可以充塞于相邻大分子的链段之间,增大间距,减弱其相互间的作用力,消除内应力,从而减低脆裂断折的趋势,一定程度上有效地增加了附着力。本文以常用的二丙二醇丁醚为成膜助剂进行实验,结果见图4。

图4　成膜助剂用量对涂膜附着力的影响
从图4可中看出,在一定范围内增加成膜助剂用量能有效地增强附着力。这是因为成膜助剂能改善水性涂料中溶剂和水份的挥发,对PUA聚合物中的链段起到一定的阻隔作用,减小聚合物分子间的作用。另外,成膜助剂能够通过扩散作用来减小涂膜的内应力,一定程度上增加了附着力。由于当成膜助剂的用量超过一定程度时,漆膜的性能就会发生不良的变化,如硬度下降、干燥延迟等,漆膜的综合性能降低,因此成膜助剂的用量要控制在一定的范围内。

2. 7　成膜温度对涂膜附着力的影响
成膜温度对水性木器涂料的性能也有重要的影响,尤其对于含有交联基团的乳液。将涂膜分别在室温25 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃下干燥,考察其对涂膜附着力的影响,结果见表2。
表2　成膜温度对涂膜附着力的影响

　　从表2中可以看出,随着成膜温度的上升,涂膜剥落率下降,涂膜对木材的附着力增强。这是因为成膜温度升高,增加聚合物链的运动,减小涂膜的内应力,使其能较好地成膜。另外温度升高,加速聚合物链段的交联,提高涂膜交联密度和涂膜对基材的渗透,从而涂膜附着力增强,但温度过高,涂膜容易出现变黄、起泡等不良现象,所以成膜温度也不宜过高。

3　结　语
对于水曲柳板材,该PUA涂膜附着力好,粗糙度没有显著影响。涂布量(涂膜厚度)增加,涂膜附着力下降,当涂膜厚度在20μm以下时具有很好的附着力。在涂料中加入质量分数为0.6% ～0.8%润湿剂能明显提高漆膜的附着力,以硅烷偶联剂作为附着力促进剂,能有效提高涂膜的附着力。在一定用量范围内,成膜助剂能显著提高涂膜附着力;另外成膜温度对涂膜附着力也有一定的影响,温度升高,涂膜附着力增强。