0 前 言

木材由于具有很好的抗压强度和抗弯折强度,以及天然、不可复制、独特的纹理效果,使其无论从实用角度还是审美角度都成为了高档住宅木质门窗的材料。而且木质窗加工能耗小,安装后居室的保温、隔热,特别是隔音性能相对于其他材质的窗有着显著的优势,并且易于保养和更换,各种实木门窗也代表了人和自然融合一体的时代潮流。由于木材特殊的物理机械性能、化学成分特点、木质门窗所处的建筑结构位置,要求木质门窗的木材涂料除装饰设计需要外,尚需满足防水、透气、防腐、防止变形、抗紫外线、耐机械损伤、易于维护和翻新等要求。由于这些木结构或多或少地经受阳光、紫外线、温差、雨水、凝结水等因素的影响,需要符合木材本身特色的保护与涂装材料,如果不能很好地解决木材涂装的技术问题,规范适合的涂料和施工工艺,整个木质窗行业将会受到影响。

水性涂料可大限度地降低大气中有机溶剂V O C的排放量,在欧洲、美洲等国家地区严格的法规下,成为一种工业涂料的主流产品类型。在木材水性涂料方面,欧洲水性木质涂料本身也已经成熟,成为门窗的主要涂料类型；在国内,水性木器涂料也已逐渐取代不环保、毒性大、施工复杂以及存在安全隐患的溶剂型涂料而备受家具厂和油工师傅的青睐。
 

1 配方的设计思路和原理

1.1 树脂的选择

水性涂料是以水溶性树脂或不同类型的分散树脂为基料的涂料。水性涂料的基本组成为：不同形式的水性树脂、颜料及填料和有关助剂。在施工应用过程中以水做稀释剂[1]。而树脂是水性木器涂料的重要成膜物质,是整个涂料配方的关键成分。目前已成功应用于单组分水性木器涂料的树脂,主要类型有水性醇酸、丙烯酸乳液、水性聚氨酯分散体和水性丙烯酸聚氨酯分散体。水性醇酸树脂流平性好、丰满度高,但干燥慢、涂膜的硬度较低、耐候性差。采用水性聚氨酯分散体制备的水性木器涂料具有低温成膜性能好、流平性好、丰满度高、耐磨、手感好及抗回粘性能好等特点,但是价格相对较高。丙烯酸乳液具有快干、耐光、耐候性优异等特点,价格便宜,但是传统的丙烯酸乳液耐水、抗回粘以及柔韧性差。采用核-壳聚合技术合成的水性丙烯酸聚氨酯分散体,不但兼具丙烯酸和聚氨酯树脂的特点,降低了成本,而且低温成膜性好,V O C含量低[2]。符合窗框用透明水性清漆的产品性能要求：低成膜温度(M F F T)低、良好的早期抗粘连性和耐冲击性、外用耐水和耐久性好、高

剪切和良好的贮存稳定性以及流变性[3]。本试验根据上述理论并经过综合考虑各种树脂的性能和价格后,终筛选了3款具有核-壳结构的进口丙烯酸聚氨酯分散体A、B和C,它们有类似的固体含量和低成膜温度(MFFT),其数据见表1。

哑光清漆中树脂的选择好坏直接影响终涂膜的各项物理化学性能,将以上3支树脂按照表2中配方制成哑光清漆,对比三者的各项性能,结果见表3。


从试验结果可以看出,三者在硬度、柔韧性、耐黄变性和干燥时间上有一定差别。树脂B是一个核-壳结构的苯丙乳液,A、C则是核-壳结构的纯丙乳液,所以在耐黄变性上B要差于其他两个。B的M F F T和T g要相对其他两个稍高,所以在硬度上要稍好,但是柔韧性和耐冲击性上稍差。综合以上试验结果,选择了性能价格比有优势的树脂A来做户外专用哑光清漆的主要成膜物质。

1.2 成膜助剂的选择

水性涂料所使用的成膜助剂又叫做聚结剂、助溶剂或共溶剂。它可以看作是聚合物乳胶粒子内的增塑剂,主要功能是降低乳液的MFFT,改进涂料的流动性,提高涂膜致密程度,以改善涂层的耐擦洗等性能[4]。水性木器涂料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[4]。常用的有如下几种：D PM、B D G、B C S、D P n B、Texanol,它们的基本物理参数如表4所示。

1.3 消泡剂的选择

我国是从1990年后引进欧洲技术生产木质门窗的,所以主流的水性涂料体系和涂装工艺早都是来自于欧洲,其大的优点就是施工黏度高、触变性强,具有很好的抗流挂性能,并且多数采用中压混气喷涂,一次性施工涂膜厚度可以达到250 μm[6]。这样,就存在一个很重要的问题,那就是气泡的消除,尤其是微泡的消除,所以在这种高黏度水性木器涂料体系里,消泡剂的选择和搭配就显得尤为重要。我们把稳定存在于液体中的气体就叫做“泡沫”,把蜂窝状薄层包含大的空气泡定义为“宏泡”,把细球状气泡定义为“微泡”。在涂膜快速干燥过程中,微泡在上升过程中会降低速度,由于涂膜比较厚,在表干前没有跑出来,气泡就保留在涂膜中形成空隙,也就是暗泡。在涂膜不易流平情况下,气泡上升缓慢而形成微细孔道,也就是所谓的针孔。根据st o k e原理,较大的气泡比较小的气泡上升快,在黏度固定的

条件下,上升速度v与气泡的半径的平方成正比,这样就需要消泡剂来帮助。

消泡剂主要有3类：矿物油类、有机硅类以及不含有机硅的聚合物类。在清漆中,考虑到光泽和涂膜透明性,矿物油类不适合,因为其用量大,易迁移,且影响清漆光泽和透明性；不含有机硅的聚合物类虽然在清漆中相容性好,但是该体系是高黏度体系,其消泡效果不是好的；而有机硅类的消泡剂可以进行改性,并且相容性可以控制,适合作高黏度体系的消泡剂类型。而为了达到好的消泡和脱泡效果,一般会两种或三种消泡剂一起搭配使用,因为一些脱泡剂虽然能促进气泡逸升,但在表面不能有效破泡,配合使用一些含有疏水二氧化硅粒子的种类,会获得更好的破泡效果。试验中发现含有气相二氧化硅的聚醚-聚硅氧烷共聚物类型的消泡剂能很好地满足以上要求。

1.4 增稠剂的选择

产品需要设计成相对较高的黏度(斯托默黏度高于100 K U/25 ℃),才能达到在厚涂时立面不会流挂。要达到这样的效果,就需要很高的触变指数,在高剪切时黏度相对较低,易于施工；而当剪切力撤掉后,涂料又能马上达到相对比较高的黏度,防止流挂的产生。在高触变体系里合适的增稠剂是丙烯酸类和聚氨酯类,尤其是疏水改性产品,试验中发现,疏水改性的产品在涂膜耐水性上有明显的改善。丙烯酸类一般都具有一定的触变性,利于施工中的控制流挂,聚氨酯类可以很好地控制流平和防飞溅。两者搭配,可以在高黏度体系里得到一个很好的平衡。在施工时具有较好的流动性,施工完毕后,马上恢复到高黏度状态,涂膜厚涂也不会流挂。虽然水性膨润土也能很好地提高触变性,但是一般添加量比较大,而且需要高速分散,不易添加,并增加了气泡生成和不合格品率。

1.5 基材润湿剂的选择

水性木器涂料里面有60%的溶剂是水,水的表面张力大,达到了72 mN/m。所以,要使水性涂料在不同的基材上能够理想地展布成平整无缺陷的涂层,必须使用基材润湿剂。改性的聚硅氧烷类产品以及氟表面活性剂能很好地解决以上问题。但是氟类产品价格昂贵,所以,改性的聚硅氧烷类产品在水性涂料中得到了大量的应用,例如聚醚-聚硅氧烷共聚物类产品,润湿效果、抗气泡、抗缩孔以及防水性能都很好。在选择基材润湿剂时尤其要注意的是它们的稳泡性,不能为了追求高效的润湿性而忽视了其稳泡的弊病,造成涂装时出现气泡的涂膜瑕疵。

1.6 哑光浆的制备

气泡在高黏度体系很难处理,而我们在做产品体系时哑光产品需要添加消光粉,这样就需要一个高速分散过程,而高速分散却很容易把空气带到涂料里面来,这样就加大了气泡的消除难度。所以,提前做好哑光浆,或者直接使用目前市场销售的水性专用消光浆产品,进行后添加,只需要中低速度搅拌均匀即可,减少了气泡的产生,而且改制不同光泽的产品也更加方便。

1.7 杀菌防霉防腐剂的选择

涂料杀菌防腐防霉剂是涂料助剂中关键的助剂之一,合理地使用防腐防霉剂可以极大地减少发黄、脱落、发霉、脱色、开裂、灰化等严重的涂膜弊病的发生。涂料防腐剂是保证涂料在桶(罐)内保存有效期间不被细菌霉菌所侵蚀破坏,故称为罐内杀菌防腐剂,涂料如果需要在桶内存放一段时间,必须添加杀菌防腐剂。防霉剂是保证涂料在涂刷以后涂膜在5～10 a内不长霉,称之为干膜防霉剂。两者需要搭配使用,才能保证不被微生物破坏。经过1 a试验发现,主要成分为n-辛基-异噻唑啉酮干膜防腐剂搭配主要成分C M I/M I的罐内杀菌产品可以很好地达到杀菌防霉效果。在使用杀菌防腐防霉剂时

要严格地控制好涂料的pH值。
1.8 生产过程的控制

水性木器涂料是一种以水为主要分散介质的混合物质,里面混合了溶剂、有机硅助剂、各种填料以及成膜物质乳胶粒子,所以在生产时一定要控制好各种原材料的添加顺序以及添加方式,好的生产工艺可以提高生产效率以及合格品率,而控制不好生产工艺,会事倍功半,并且合格品率低。在生产高黏度清漆产品体系时需要注意的主要有以下几点：一是消泡剂在添加时先用配方里需要添加的成膜助剂兑稀,因为成膜助剂相对于树脂以及水具有更好的溶解高分子材料的能力,把消泡剂用成膜助剂兑稀后减少了因剪切力不够或者是添加速度过快而造成涂料缩孔的问题,而且添加时要在搅拌状态下缓慢加入；二是制作哑光产品好采用后添加哑光浆的方式,这样既可以减少气泡的产生,又可以提高生产效率和产品合格率；三是消泡剂添加分次加入,而且相容性差的需要在研磨阶段加入,相容性好的

可以在调漆阶段加入；四是成膜助剂在添加时也需要在搅拌状态下缓慢加入,防止由于局部浓度过高而导致乳胶粒子破乳、凝聚而导致产品不合格。
 

2 配方结果

户外用木制窗水性清漆的参考配方见表5。