木器用水性亚光涂料的制备及性能研究
□ 许 飞1，杨劲松2，马春风3，凌晓飞1，陈卫东1，胡中1，庄振宇1，朱柯1，张汉青1，祝宝英1
(1.中海油常州涂料化工研究院国家涂料工程技术研究中心，江苏常州 213016；2.中国科学技术大学高分子科学与工程系，合肥 230026；3.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640)
0 前言
不同涂层表面的光泽不一样，衡量涂层表面对光线反射能力的大小，称为光泽度。涂层的光泽度越高，它反射光线的能力就越强，亮度也就越高。根据光泽度的大小，可以将涂料分为亮光、亚光、无光等几种，见表1。
近年来，随着人们环保意识的增强和能源的紧张，水性木器涂料的研究开发和推广力度越来越大。就目前而言，许多木制家具厂商为了追求家具的典雅高贵，希望相应的水性木器涂料具有一定的亚光度。因此，如何在水性木器涂料中实现消光就成为行业的重要课题之一。从涂料的消光原理看，水性木器涂料的光泽和涂层表面的粗糙程度紧密相关。光线射到涂层表面上时，一部分会被物体吸收，一部分会发生反射和散射，还有部分会发生折射。涂料表面的粗糙度越小，则被反射的光线越多，光泽度越高。相反，如果物体表面凹凸不平，被散射的光线增多，导致光泽度降低。水性木器涂料涂刷在物体表面上后，通过水的挥发而固化成膜。当水挥发后，涂膜表面呈现出凹凸不平使得涂层表面产生了一定的粗糙度，即产生了不同的光泽度，如图1所示。
目前在水性木器涂料中应用的消光材料主要有3大类：金属皂类、有机消光蜡浆和功能性体质颜料，3种消光材料的特性如表2所示。
由表2可以看出不同类型的消光材料在应用中均存在一定的缺陷。在实际应用中，理想的消光材料需要满足以下条件：在保证消光效果的同时，要求消光材料对水性木器涂料的各项理化性能影响小，对生产工艺改变不大，并且贮存稳定性良好。此外，在同样消光效果的情况下要有佳的透明度。同时还要求消光材料对体系黏度影响不大，易分散，易添加，不易沉降。显然，目前常用的3种消光材料总是存在着某些缺陷，无法满足以上所有的要求[1-10]。针对这种情况，目前一些研究机构和公司开发了一些能够自消光的水性乳液，利用此类消光乳液制备水性涂料成膜后可以达到较好的亚光效果，同时，对涂料的其他理化性能影响也较小。本文利用一种自消光的水性乳液为原料，制备了以聚丙烯酸乳液和水性聚氨酯分散体为主要成膜树脂的水性木器涂料，研究了亚光乳液对涂料光泽的影响。
1 试验部分
1.1 试验原料
水性亚光乳液，市售；聚丙烯酸酯乳液(PAE)、水性聚氨酯分散体(PUD)，自制；涂料类颜填料及助剂，工业级。
1.2 涂料制备
1.2.1 基于二氧化硅消光粉的消光浆的制备
为了制备基于消光浆的水性亚光涂料，首先需要制备二氧化硅消光浆。按照表3中的配方，工艺如下：将1～4混合，高速搅拌机内充分混合，边搅拌边加入消光粉5，继续分散30 min，得到消光浆。
1.2.2 水性亚光清漆的制备
按照表4的配方，水性亚光清漆的制备工艺为：在中速搅拌下向分散釜中依次加入5～10，搅拌均匀，分散10 min左右，然后再加入成膜乳液和消光材料1～4，中速搅拌30 min，后加入增稠剂11调节黏度，用水补足余量，过滤包装。利用制备的涂料喷板，常温自干成膜后得到水性涂料。其中，PUA-1未加任何消光材料的水性清漆，PUA-2为加入亚光乳液的水性亚光清漆，PUA-3为加入亚光浆的水性亚光清漆。
按照表5的配方，在中速搅拌下向分散釜中依次加入助剂1～7，搅拌均匀，分散10 min左右，再加入颜填料8～11，高速研磨至规定细度过滤，然后再加入乳液、消光材料和助剂12～17，中速搅拌30 min，后加入增稠剂18调节黏度，用水补足余量，过滤包装。利用制备的涂料喷板，常温自干成膜后得到水性涂料。其中，PUA-4为未加任何消光材料的水性白漆，PUA-5为加入亚光乳液的水性亚光白漆，PUA-6为加入亚光浆的水性亚光白漆。
对于二氧化硅类消光剂，它的分散是指将其颗粒的聚集体解聚、润湿、均匀分布和稳定的过程。像所有颜填料一样，二氧化硅消光剂在贮存和运输过程中易形成聚集体，这是由于强吸引力和挤压力作用，细小颗粒间的外表面趋向小而相互凝聚成聚集体。与一般颜填料不同，消光剂的分散剪切速率要适中，剪切速率太小无法较好地分散消光剂，剪切速率太大又容易导致过度分散，反而会降低消光效果[1-7]。通常情况下，消光剂的加入有两种方式：直接添加法和预制消光浆添加法。直接添加法工艺简单，然而由于水性树脂的浸润性差，消光剂直接添加在水性树脂中难以较好地分散，需要更长的分散时间，这可能会使机械稳定性差的水性树脂产生凝聚物甚至破乳。另外，在生产亚光型的水性木器涂料的时候，往往会遇到这样的问题，尽管已经把高速分散机的转速调到很高，但是二氧化硅消光粉仍然浮在液面上，只是随着中间的漩涡一点点被吸进去，空气中弥漫着二氧化硅消光粉的粉末，缸壁上也沾着很多的消光粉。因此，更多的时候需要制作消光浆，把消光浆作为助剂添加到涂料中去，这样操作可以部分解决消光粉的分散问题，但是工艺上更加麻烦了，而且消光浆也易沉降不易保存。此外，若配制低光泽的涂料，将会严重降低涂料的固体分，而且消光浆中含有其他组分，添加到涂料中后，会影响涂料的终配方。即对于二氧化硅类消光剂，现有的两种添加方式均存在不足之处[1-10]。而对于采用亚光乳液制备的亚光涂料则不存在以上问题。由于亚光乳液与普通的水性乳液具有较好的相容性，可以通过直接添加的方式加入，因此生产工艺更为简单。
水性木器涂料中常用的树脂主要有水性聚氨酯分散体和聚丙烯酸酯乳液两种，本文选取自制的水性聚氨酯和聚丙烯酸酯乳液作为成膜树脂，通过添加水性亚光乳液，达到消光效果。研究了亚光乳液的加入对终制备的涂料光泽的影响。作为对比，选取二氧化硅消光粉制备消光浆，将其加入相同体系中，测试水性消光浆对涂料光泽的影响。为了研究亚光乳液在清漆和色漆中的作用，分别制备了两组水性亚光色漆和白漆，测试结果如图2所示。由图2可知，PUA-1和PUA-4为未加入任何消光材料的清漆和白漆，光泽较高。通过添加水性亚光乳液，相应清漆和色漆的光泽均明显降低，达到了添加消光浆的消光效果。
目前市场上常用的消光剂是以各类无机二氧化硅粉体为主的消光粉，然而在实际应用中，由于水性树脂以水作为分散介质，分散和承载颜填料的能力较差，由其制备的亚光清漆常因消光剂分散不好而在贮存时产生硬沉淀，即基于无机二氧化硅粉体的亚光乳液普遍存在贮存稳定性不好的问题[5-16]。为了考察不同消光体系的贮存稳定性，取添加了消光剂的水性涂料试样，测定贮存前涂料的光泽；在50 ℃条件下，试样贮存1个月，取上层涂料再次测定涂层光泽，并计算光泽变化率。光泽差别越大，沉淀越多，说明该消光剂越容易沉淀，相应的涂料贮存稳定性越差。试验结果如图2所示。由图2可知，没有加任何消光材料的亚光体系光泽变化率低，贮存稳定性好。基于二氧化硅消光浆的亚光清漆和白漆的光泽变化率高，贮存稳定性差。而基于亚光树脂的清漆和白漆的光泽变化率明显低于基于二氧化硅消光浆的涂料，具有更好的贮存稳定性。这是因为亚光乳液本身就是乳液，和水性树脂的混溶性优异，因此贮存稳定性也更好。
除了消光效率和贮存稳定性外，对于木器用水性亚光清漆来说，为了能够充分展现木材的纹理效果，要求相应的水性木器清漆具有较好的透明度，因此选择消光材料的另一个重要考虑因素就是涂膜的透明度[1-7]。透明度的测试主要通过在透明玻璃板上制备同样厚度的涂膜，结合肉眼判断，结果如表6所示。由表6中数据可以看出，基于亚光乳液的亚光清漆透明度优于基于消光浆的涂料，更适合在水性木器清漆中使用。
本文选取自制的水性聚氨酯和聚丙烯酸酯乳液作为成膜树脂，以水性亚光乳液和二氧化硅消光浆作为消光材料，分别制备木器涂料用水性亚光清漆和白漆。分别从消光材料添加工艺、消光效果、贮存稳定性和涂层透明性对两种体系的亚光涂料进行了对比研究。试验结果表明，与二氧化硅消光粉制备的亚光涂料相比，采用水性亚光乳液制备的水性木器涂料制备工艺更简单、涂料的沉降性明显优于消光粉，具有更优的贮存稳定性。基于水性亚光乳液的亚光涂料的消光效果可以达到二氧化硅消光粉的效果。此外，采用水性亚光乳液制备的水性清漆涂层具有较优的透明度，在水性木器涂料领域具有较为广阔的应用前景。
