日期：2022-01-07
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161 核心提示：0 前言随着社会文明的发展与进步，人们对环境的低碳环保意识逐渐增强，各国制定的环保法规都对涂料中挥发性有机化合物(VOC)有严
0 前言
随着社会文明的发展与进步，人们对环境的低碳环保意识逐渐增强，各国制定的环保法规都对涂料中挥发性有机化合物(VOC)有严格限制，发展水性涂料包括水性木器涂料是必然的趋势之一。水性木器涂料与溶剂型木器涂料相比，具有环保、节能、安全可靠、使用方便等优点，尤其是双组分水性聚氨酯木器涂料的涂膜性能，完全可与溶剂型木器涂料相媲美，只是价格高影响了其推广应用。单组分水性木器面漆普遍存在着涂膜硬度低、丰满度差、早期抗回黏性差、抗沾污性能低等问题，底漆存在着附着力差、渗色、“胀筋”等问题，亟待科研人员攻关解决。本文通过科学选材、优化配方、改进工艺，全面提升了单组分水性木器底、面清漆的性能，改善了涂膜存在的常见缺陷。研制的单组分木器涂料，其涂膜性能完全符合或超过国标GB/T 23999—2009《室内装饰装修用水性木器涂料》中的各项指标。
1 试验部分
1.1 主要原材料
水性自交联丙烯酸乳液A、B、C；水性聚氨酯乳液D、E；水性丙烯酸聚氨酯F、G；消泡剂：BYK028、BYK024、Tego AireX901w、Tego Foamex 825、suyfyno1MD-20、DF62；基材润湿剂：BYK346、Tego wet270、wet KL245，Surfynol 104DPM；消光粉：DegussaAcematt TS100、3M w-410；流平剂：Tego Glide 440、BYK333；蜡乳液：BYK531、BYK537；成膜助剂：二丙二醇甲醚(DPM)、二丙二醇正丁醚(DPnB)、十二醇酯；杀菌剂：LXE；增稠剂：TT935、RM-8W、TegoViscoplus 3030、ZC-501、H600；助打磨剂：硬脂酸锌、滑石粉、石英粉。
1.2 基础配方
单组分水性木器底、面清漆基础配方见表1。
1.3 制备工艺
将树脂乳液、去离子水加入容器，低速搅拌均匀，再加入润湿剂、消泡剂，搅拌5 min，随后加入DPM+TPnB+Texanol的混合液，中速搅拌15 min，再加入表面滑爽助剂、消光粉、打磨助剂、防腐剂、流变剂，降至低速再分散10～15 min，经120目纱网过滤出料，分别制备成底漆和面漆。
1.4 性能测试
将制备的底、面漆按照GB/T 1727—1992标准制膜，常温干燥7 d后按照国标GB/T 23999—2009《室内装饰装修用水性木器涂料》进行测试。
2 结果与讨论
2.1 树脂乳液的选择
水性木器清漆配方中的成膜物是聚合物乳液或水分散体，一般在配方中占80%左右(质量分数)，树脂的种类和性能是木器涂料综合性能高低的决定因素。水性醇酸树脂具有光泽高、丰满度高、流平性好等优点，但其涂膜干燥慢、硬度低；丙烯酸乳液具有成本低、快干、耐光、耐候、耐化学品性好等优点，但其涂膜柔韧性低、抗回黏性差；单组分水性聚氨酯分散体(WPU)在耐磨性、硬度、流平性、柔韧性、抗粘连性、丰满度等方面有显著优势，但其涂膜耐醇性、耐水性略差，且价格高；丙烯酸改性聚氨酯复合乳液(PUA)是一种将丙烯酸分子与聚氨酯分子通过网络互穿技术合成的高聚物乳液，与丙烯酸乳液和聚氨酯分散体共混体系相比，综合性能更优异、贮存稳定性更好，适用于中高档木器面漆。引入蓖麻油、采用核壳工艺以及对WPU进行超支化改性，制得乳液的耐水性和耐溶剂性、涂膜硬度、光泽等性能都得到明显改善[1]。
在基础配方中其他因素不变的条件下，只改变树脂乳液的类型和品种，考察不同乳液对涂膜性能的影响，见表2。
由表2可见，在丙烯酸乳液组中，乳液A在光泽、硬度、柔韧性、耐黄变性方面略显优势，柔韧性和抗冲击性都较差；在WPU乳液组中，D和E的综合性能基本相同，而耐醇性都很差；在PUA乳液组中，G的综合性能略占优势。根据上述检测结果，本文选择丙烯酸乳液A作底漆的基料，选择丙烯酸改性聚氨酯乳液G作面漆的基料。
作为水性封色素底漆，树脂乳液的性能是关键。应满足以下几方面的要求；(1)快干性及可打磨性；(2)交联密度高，封底性好；(3)耐水性好；(4)渗透润湿性强；(5)透明度好。丙烯酸乳液A是一款多重交联丙烯酸树脂乳液，采用预交联与常温交联的方法，可以平衡交联速率过快或过慢所带来的不足，同时使涂膜在短时间内就能获得良好的耐水、耐热、耐酸碱、耐污性及机械力学强度[2]。
作为水性木器清面漆的基料树脂，除应具有底漆树脂乳液所要求的性能外，还必须具有优异的涂膜外观、高附着力、低VOC含量、优异的耐冲击性、抗划伤性、耐磨性、耐候性、耐化学品性等性能。PUA乳液G是一种丙烯酸改性聚氨酯乳液，完全符合水性木器清面漆的综合性能要求。
2.2 润湿剂的选择
水性木器涂料在基材表面充分流平的条件为二者之间的接触角为零，即基材的表面张力和水性木器涂料的表面张力近似相等[3]。木材的表面张力较低，大多低于40 mN/m，而水的表面张力高72.8mN/m，所以水性涂料在木材表面的润湿铺展性很差。添加适量的基材润湿剂，便可达到降低涂料表面张力、增进润湿铺展性的目的。基材润湿剂分子同时含有疏水和亲水两部分基团，这样的分子结构的加入，必然会发生分子定向，使液体表面张力急骤下降，但同时也具有稳泡倾向，气泡是造成涂膜外观缺陷的重要因素。因此选择的润湿剂应具有如下功能：(1)既能快速降低静态表面张力，又能迅速降低动态表面张力；(2)既能降低固/液界面表面张力，又能降低气/液界面表面张力；(3)既无起泡性能又无稳泡作用；(4)具有优异的兼容性，不影响涂膜的透明性和光泽，不影响重涂性。通过对比试验发现，空气产品公司的炔二醇表面活性剂Surfyno1 104 DPM符合上述要求，它是一种具有润湿与控制泡沫等多项功能的非离子双子表面活性剂，可有效降低水性涂料体系
表面张力，又能有效平衡配方各组分之间的表面张力差异，同时还有不稳泡性和兼容性[4]。另外，迪高的Wet KL-245+Glide-410配合使用也是一个不错的选择。
2.3 消泡剂的选择
水性木器涂料在生产搅拌和施工时的喷、刷、滚涂过程中，极易引入空气，产生大量气泡，在底涂施布过程中，又会将基材空隙中的气泡置换出来，水性木器涂料中添加的分散剂、润湿剂、流平剂等，因含表面活性物质助长了气泡的产生并有稳泡作用，如果不及时地清除涂膜中的气泡，将会造成涂膜表观缺陷，影响物化性能，因此消泡剂的选用至关重要。通常消泡剂分为抑泡剂和破泡剂，抑泡剂是抑制泡沫的产生，而破泡剂是破坏已产生的气泡。在水性木器涂料中采用2种类型消泡剂搭配使用能获取较好效果。通过对比试验，终选择了迪高公司的Airex 901w脱泡抑泡剂与Tego 822聚醚-硅氧烷共聚物/气相SiO2高效消泡剂搭配使用，取得了满意效果。
2.4 成膜助剂的选择
成膜助剂能促进乳液粒子的塑性流动和弹性变形，降低乳液的Tg温度，改善其聚结性能，扩大成膜温度范围。成膜助剂是一种暂时增塑剂，随着涂膜的干燥而挥发消失。几种常用的成膜助剂的性能指标如表3。适用于水性木器涂料的成膜助剂应符合以下要求：(1)聚合物的强溶剂，临时性有效地降低聚合物玻璃化温度且相容性好；(2)在水中溶解性小，易被乳液粒子吸附而又有优良的聚结性能；(3)适宜的挥发速度，在涂膜干燥过程中成梯度挥发，全部挥发时间不能太长；(4)易加入乳液体系而吸附在乳胶微粒表面，但不影响乳胶体系的稳定性；(5)低毒安全，对人畜无毒害。通过试验，水性打磨底漆中的成膜助剂选择DPM 4%、TPnM 5%、Texanol 2%；水性清面漆选择DPM 2%、TPnB 4%、Texanol 1%搭配使用。通过高低沸点溶剂搭配，实现了低沸点溶剂(DPM)挥发速度快和高沸点溶剂(TPnB)溶解力强、挥发速度较慢的配合协同作用，从而使涂膜具有较高硬度、光泽及表面效果。
2.5 打磨助剂的选择
水性木器底漆需要有较好的打磨性能，通过添加打磨助剂来改善涂膜的可打磨性。常用的助打磨物有硬脂酸锌、滑石粉和石英粉等。不同助打磨剂对涂膜性能的影响，见表4。
本水性底漆选择超细石英粉为打磨助剂。
2.6 消光剂的选择
目前市面上销售的木器涂料面漆基本都是半亚光泽，一方面显示出木器家具的典雅高贵，另一方面半亚光泽对涂膜的透明清澈度影响较小。消光剂是用来控制水性木器涂料涂膜光泽度的添加剂。其机理是在平滑的涂膜表面制造了微小的粗糙度，使得入射光发生漫反射、散射，从而达到消光目的，具有亚光效果。目前使用较多的消光材料有气相二氧化硅、蜡粉、蜡乳液和实心陶瓷微球等。理想的消光材料应该是：既有一定的消光效果，又对水性木器面漆的物化性能无不良影响。气相二氧化硅与超细实心陶瓷微球W-410的消光效果与对涂膜性能的影响见表5。
由表5可见，制备亚光水性木器面漆宜采用消光效果好的气相二氧化硅，制备半亚光水性木器面漆宜采用消光效果较差的实心陶瓷微球W-410。实心陶瓷微球与气相SiO2相比，在涂膜的透明度、耐水性、流平性方面具有显著优势。另外陶瓷微球还有易分散、增强涂膜强度、耐磨性等特点。
2.7 流变剂的选择
流变助剂是一类能够改进涂膜流变特性的助剂。对于水性木器涂料，希望其在贮存期间具有较高的低剪切黏度，能有效防止涂料沉淀和分层；在施工高剪切情况下，能够具有适宜的黏度，使涂膜具有较好的涂刷性和丰满度；在施工后，短暂保持低黏度利于流平，而后黏度迅速上升防止流挂。为了达到上述要求，必须选用合适的流变助剂来调节涂料体系的流变特性。
目前，常用的流变助剂主要有4类：纤维素醚类、碱溶胀聚丙烯酸酯类、缔合型聚氨酯类、无机类。它们的作用机理是通过疏水基团彼此间或疏水基团与基料分子缔合而构成网络结构，或通过氢键作用在水相中形成空间网络结构。
纤维素醚类因会影响涂膜的光泽和机械性能，在水性木器涂料中很少采用；碱溶胀聚丙烯酸酯类耐水性差，无机类影响涂膜流平性，因此都不宜采用；缔合型聚氨酯类的加入，使涂膜在光泽、流平性、丰满度、耐水性等方面有明显优势，因此是水性木器涂料适宜的增稠流变剂。本文选择了牛顿型聚氨酯增稠剂和假塑型聚氨酯增稠剂搭配使用，如TT935与ZC501或RM-8W搭配。
2.8 产品性能
单组分水性木器涂料分封底漆和清面漆，其性能见表6。
3 结语
水性木器涂料具有环保、节能、安全、使用方便等优点。通过科学选材、优化配方、精细加工，全面提高了单组分水性木器底、面清漆的性能，各项性能指标完全达到或超过了GB/T 23999—2009国标规定的技术指标。
(1)采用了多重交联丙烯酸树脂乳液制备封底漆，涂膜具有快干、易打磨、致密、耐水性好、渗透力强、透明度高、物理机械性强等优点。
(2)采用丙烯酸改性聚氨酯乳液制备清面漆，涂膜具有优良的外观，优异的物理性能、耐化学品性能、耐候性和耐污染性能。
(3)对各种功能助剂的严格选择及科学配合，是制备高性能水性木器清漆的重要因素。
