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            水性雙組分亮光白色面漆的研制與應用
            2023年05月25日    閱讀量:     新聞來源:2022水性二十年紀念冊  |  投稿

            國內木家具制品涂裝市場,受國家法規以及各地環保政策的推動,在過去的兩三年內進行了轟轟烈烈的“油轉水”,水性木器涂料相比于傳統涂料在VOC排放方面具備絕對優勢,得到了極大范圍的應用,且水性涂料的用量每年持續以較大比例的速度在增長。在不斷發展的過程中,水性涂料自身存在的缺陷也暴露出來,尚不能滿足木制品在涂裝裝飾性、表面保護性、功能性等方面的需求,尤其是在白亮光等高端木制品領域,水性亮光白涂料未占到一席之地。白亮光是中式傳統家具中的經典款式,被廣泛應用在板式家具上,因其靚麗嶄新的色彩,得到消費者的青睞涂料在線coatingol.com?,F有的水性雙組分亮光白,在流水線機械化涂裝時易形成痱子,成品率低,另外,其亮光豐滿度效果易塌陷難持久。水性木器涂料適應各種涂裝方式,降低VOCs的排放,符合消費者對于環保性的需求,是后續木器涂料的重要發展方向,對水性雙組分亮光白色涂料的開發具有長遠的意義。


            1 實驗部分


            1.1 實驗主要原材料


            樹脂:水性羥基聚氨酯分散體、水性羥基丙烯酸分散體、水性羥基丙烯酸乳液,科思創、萬華化學、長興化學;助劑:消泡劑、基材潤濕劑、分散劑、流平劑、流變助劑、增稠劑,贏創、畢克化學、明凌、海明斯;固化劑:脂肪族聚異氰酸酯,科思創、萬華化學;溶劑:醇醚溶劑、丙二醇二乙酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯,陶氏化學。


            1.2 實驗儀器及設備


            高速分散研磨機,VMA-Getzmann;恒溫恒濕箱,上?,F代環境工程有限公司;往復式噴涂機、紅外干燥線,Makor;桔皮儀,畢克化學;流掛儀、刮板細度儀,涂-4#黏度杯,廣州標格達精密儀器有限公司;


            玻璃量筒、電子天平、電子秒表,南京康洛達實驗儀器有限公司。


            1.3 基礎參考配方及工藝


            基礎參考配方及工藝見表1和表2.

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            表1配方中,除流變助劑是按有效分計算(通過減少水量實現100%)外,其他材料均按供應態計算。

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            1.4 性能檢測結果及檢測方法


            按照n(-NCO):n(-OH)=1.8的比例,將主漆和固化劑按100:25混合均勻,加入適量去離子水,調整至適宜的施工黏度(60s,涂-4),按照200g/m2的涂布量噴涂于UV底上,50℃紅外干燥1h,室溫干燥24h,50℃紅外干燥36h,依據國標GB/T23999-2009及GB/T 3324-2017對涂料進行相關性能檢測,如表3: 

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            2 結果與討論


            2.1 水性樹脂與固化劑的選擇


            水性樹脂和固化劑是漆膜的主成膜物質,其決定了漆膜的物理性能,也在很大程度上決定了漆膜的裝飾效果。實驗中,為了平衡遮蓋力、豐滿度和干膜膜厚,我們預先設定主劑的顏基比為1:1,施工固含量≥45%。為了保證固化劑的手攪分散性,將固化劑按表2使用PMA/PGDA做70%開稀。水性樹脂選擇水性羥基聚氨酯分散體(A)、水性羥基丙烯酸分散體(B)、水性羥基丙烯酸乳液(C)三類,固化劑選擇脂肪族聚異氰酸酯(HD-1)、低黏度脂肪族聚異氰酸酯(HD-2)、親水脂肪族聚異氰酸酯(HD-3)三類,形成交叉測試項目,通過對比光澤以及表面效果(主觀判定)確認涂料中樹脂和固化劑的選用。實驗中,我們設定NCO/OH值在1.5-1.9之間,施工配比保證施工固含量的一致性,為了更突顯差異性,涂布量設定為兩個十字300g/m2。


            依據表4可見,水性羥基丙烯酸乳液與非親水性固化劑的相容性不佳,而水性高羥丙烯酸/聚氨酯分散體與其相容性可被接受,可以搭配使用。A1與B2形成的板面痱子較少,HD-2與HD-3形成的痱子相對較少。A1、B3在高光澤方面表現最佳。選定A1與B3復配作為主成膜物質,HD-2與HD-3復配成HD-4作為固化劑。

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            后續實驗中,將B3與A1按固體份4:1復配依據參考配方及工藝制成主劑,搭配HD-3與HD-4固化劑,施工配比調整為主劑:固化劑:水=1005:25:25,按涂布量300g/m2和200g/m2兩個梯度施工,板面效果如圖1所示。


            主劑配HD-3,左300g/m2,右200g/m2

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            主劑配HD-4,左300g/m2,右200g/m2


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             圖1 不同涂布量板面痱子分布情況


            按圖1所示效果圖,親水脂肪族聚異氰酸酯復配低黏度脂肪族聚異氰酸酯應用于水性雙組分亮光白面漆中,可以有效減少痱子的形成。


            2.2 基材潤濕劑的選擇


            基材潤濕劑的選擇目標很明確:首重低表面張力,其次低泡傾向,兼顧流平性。實驗中,在100份B3/A1的混合樹脂中,添加0.5%的基材潤濕劑,其他成分不加制成主劑。1800rpm分散15分鐘主劑,通過觀測不同時間點相同重量涂料在量筒內的體積變化來表征潤濕劑的穩泡性;隔夜消泡后,通過表面張力儀測定表面張力。


            從表5的結果分析可知,W3、W5、W6表現出較低的表面張力,W2、W4、W5表現出較好的低泡性,結合自消泡性(液面高度)和脫泡性(液內分界線)的表現,初選W2、W4、W5進行后續流平性的測試評定。

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            后續實驗中,主劑按NCO/OH=1.8復配固化劑,適量水,涂布量按200g/m2制板,漆膜室溫干燥24h后,通過桔皮儀測定漆膜流平性。其中LW表征長波流平性,SW表征短波流平性,值越小流平性越好,DOI表征鮮映性,值越大鮮映性越高。

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            依據表6流平性的數據,W4表現出較好的流平性數據,且其具有低泡性。由此選定W4與W5復配作為后續主劑的潤濕劑,同時保證低表面張力的同時,兼顧低泡性和流平性。


            2.3 增稠劑的選擇


            增稠劑的主要作用就是調整涂料的黏度和流動狀態,使其滿足儲存性能、施工性能等要求。要完全滿足這些要求,不是單一一支增稠劑或者單靠增稠劑就能解決的,往往需要同類別或同效果材料進行復配。此處增稠劑的選擇,我們重點考慮對黏度的貢獻以及對雙組分涂料可使用時間的影響,可使用時間一般的指標是3-4h。實驗中,我們將主劑黏度調整至60±5KU,按照主劑:固化劑:水=100:25:15的比例進行調配,通過測定室溫下涂-4黏度的變化確認可使用時間的長短,測試結果如表7:

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            從表7中測試結果可以看出,我們經常講的高、中、低剪聚氨酯增稠劑跟流杯黏度貢獻和可使用時間沒有必然的聯系,不同牌號的同類型增稠劑在同一個體系內的表現是不一致的,所以增稠劑的選用需要根據實際的涂料體系進行測試篩選。根據結果,首先選用H7并固定其添加量為0.5%,H7作為牛頓型高剪增稠劑對涂料的噴涂霧化和濕膜流平是有幫助,但過量添加會造成噴涂出槍難得問題。其次,選用H2作為黏度的調節增稠劑。當然,也可以使用H2+H5或者H2+H5+H7的組合,根據后續的測試結果或者不同的需求來調整。


            2.4 流變助劑的選擇


            流變助劑是較大程度上調整液體流變特性的一類材料。單用情況下,尤其是無機類的流變助劑,對涂料的黏度及流變特性的改變較弱。但在與聚氨酯增稠劑復配使用時,可以達到1+1>2的互補效果。流變助劑主要關注抗流掛性能、可使用時間、流平性??沽鲯斓燃壷饕脕碓u估涂料調配后的抗沉降能力、遮黑邊的能力和防堆邊的能力。涂料本身的抗流掛能力過強,可能會影響漆膜的流平平整度,所以評估抗流掛性的同時需要同時兼顧流平性。在流變助劑對可使用時間影響的實驗中,我們設定流變助劑0.5%的有效分添加量,觀測罐內3天的50℃熱儲穩定性。依據結果,選擇熱儲后狀態最好的R3、R5、R7做后續的評估。R3對黏度的貢獻小,對細度的影響小,所以暫時放棄R2。測試結果見表8:

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            后續實驗中,我們固定其他組分的比例,添加流變助劑有效分0.5%,測定流變助劑對涂料特性、可使用時間、流平性的影響。測試結果見表9、表10、表11:

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            根據實驗數據分析:膨潤土抗流掛性能佳,但對光澤影響大,且對可使用時間影響巨大。氣相二氧化硅抗流掛性能一般,略影響光澤,對可使用時間影響極小。另外,直接分散二氧化硅對細度有影響,確認使用時,建議提前做好砂磨漿或跟白色漿共砂磨。EVA蠟類流變助劑在抗流掛等級、可使用時間、流平性方面均有較佳的表現,對過程影響較小,有助于提高水性雙組分涂料的施工穩定性[1]。


            2.5 流平劑的選擇


            流平比較復雜,它既跟潤濕、鋪展有關聯,又跟涂料黏度有關聯,是一個隨時間變化的過程。水性雙組分亮光面漆是對表面裝飾效果要求極高的一類涂料產品,流平劑在其中起到至關重要的作用。實驗中,我們選擇幾類市面公認有較好效果的流平劑進行比較,主要通過量化流平性數據和主觀判定來實現選用。

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            根據表12的測試結果,SL-4的量化數據表示可以提供漆膜最好的長波流平性及鮮映性,與主觀判定的結果一致。SL-4可作為該體系的最優流平劑。


            2.6 其他助劑的選擇


            成膜助劑的選用需要綜合考慮原材料和固化劑代入的溶劑,確保涂料中VOC的含量以及施工時VOCs的排放滿足國家和地方相關法律法規的規定。


            分散劑的選用需要與鈦白粉的選用相輔相成,既要保證粉料的分散細度和防沉性,又要保證涂料最終的罐內防浮色和漆膜的色差。


            最后進行的是消泡劑的選用,生產高速分散時的快速消泡性以及罐內長效消泡性,是相對比較容易解決的。因工藝、環境、設備等差異,設備噴涂時產生的機械泡是最難完全解決的,這也是現階段水性涂料配方研制的重點工作。


            2.7 往復機噴涂應用測試


            為了盡可能避免水性涂料的塌陷問題,我們選用已做好UV底漆(鉛筆硬度>1H)的櫥柜面板作為底材,得到更好的漆膜效果的同時,也便于觀測遮黑邊、抗流掛等性能指標;涂料按主劑:固化劑:水=100:25:25的比例進行調配,調至涂-4杯60s備用;涂裝設備采用Marko往復式噴涂機,口徑12(0.38mm),配套科姆林40-50F柱塞泵;施工環境溫度30±5攝氏度,環境濕度40-50%。涂裝應用測試按150、200、250三個梯度進行,測試項目及數據如表13:

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            按應用測試結果可知,該配方在抑制或消除噴涂機械泡的方面還需要繼續的優化,需要最大程度上防止暗泡和痱子的形成。為得到更好的漆膜效果,首先,要求噴涂施工和流平段的環境濕度控制在70%以下,濕度越高有形成痱子的風險越高;其次,控制涂布量在200g/m2以內,涂布量跟濕度也有緊密的聯系,一般情況下高濕低涂布量可以有效減少痱子的產生。水性雙組分亮光面漆的塌陷問題也是行業難題,雖然隨著上游原材料和涂料技術的發展這方面已經有極大的進步,但還是不能滿足家具廠批量生產的需求。


            3 結語


            1) 水性樹脂與固化劑是雙組分涂料的主成膜物質,其相容性的評估是重中之重,它直接影響其他成分的篩選難度和以后配方優化的空間。油性固化劑雖然可在水性雙組分涂料中應用,但其限制條件較多,選用需謹慎。


            2) 為得到最佳的漆膜平整度,基材潤濕劑和流平劑的測試過程中除了關注對漆膜流平性的影響外,也要關注對涂料流動性的影響。


            3) 增稠劑和流變助劑搭配使用可以使水性涂料得到最佳的流變特性,從而得到防沉降、抗流掛、流平等性能的平衡。


            4) 消泡劑的選用一直是水性涂料配方研制的重點工作。在機械涂裝廣泛應用的現狀下,水性涂料在進行機械涂裝時的消泡能力,變得更為重要。?


            作者:

            夏正明  珠海展辰新材料股份有限公司技術管理中心涂料研發部經理

            劉志剛  珠海展辰新材料股份有限公司董事、技術管理中心總經理

            來源:2022水性二十年紀念冊


            標簽:家裝家具涂料,原材料,輔料與設備,今日頭條,固化劑,涂裝應用,市場評論,技術中心,水性木器漆,家具漆,涂裝,涂料設備,涂料助劑
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