水性木器漆增稠剂的刷涂性能及涂膜性能探讨
时间:2012-04-03 00:39来源:未知 作者:冯钦 傅建龙 点击: 128 次
文章根据不同类型增稠剂的特点以及刷涂施工的流变状态的特点，通过不同增稠剂的搭配来满足水性木器涂料刷涂的施工需求。但是不同的增稠剂的配合方式对水性木器漆漆膜的性能有不同的影响。采用纤维素增稠剂与聚氨酯增稠剂时，影响漆膜的丰满度，但是不影响漆膜
水性木器漆增稠剂的刷涂性能及涂膜性能探讨
冯钦1,2，傅建龙1
(1．华南理工大学 化学科学学院，广东 广州 510640；2．广东嘉宝莉化工有限公司，广东 江门 529085)
目前国内装饰装修材料中涂料部分主要用的还是溶剂型涂料，如聚氨酯漆和硝基漆。其中含有相当一部分溶剂，在干燥过程中，会完全挥发。这些溶剂给环境造成了污染，影响了涂料施工者或家具使用者的身体健康。随着人们环保意识的增强，对溶剂型涂料的限制逐步严格。许多国家出台了相应的法律。如我国在2005 年8 月正式实施的GB18581(室内装饰装修材料溶剂型木器漆有害物质限量)标准对重金属含量以及溶剂挥发量作了明确的规定[1]。近几年，水性涂料发展非常迅速。目前欧洲，美国，加拿大等发达国家，水性木器涂料已经占据整个木器涂料市场的10 %；在欧洲国家，水性色漆和透明罩面的用量已占40 %。在北欧，水性漆在木地板的应用已经达到地板涂料的80 %，水性UV 涂料的使用非常普遍[2]。
在国内，水性涂料也得到了飞速发展。特别是在装修市场，由于对漆膜的性能如硬度，丰满度等要求相对较低，加上人们环保意识的增强，水性漆的市场越来越大。家庭装修时，由于施工场所及施工条件的限制，一般采用刷涂的方式。为了达到良好的漆膜效果，要求漆膜光泽均匀，无明显刷涂痕迹。相对于溶剂型涂料中的树脂，水性涂料是以水作为主要溶剂，如水性清漆树脂固含大约30 %，其余60 %～70 %为水和助溶剂。水的表面张力很高，为72×10-3 N·m-1，对底材的润湿性能相对比较差，刷涂时容易产生明显的刷痕[3]。由于水性涂料的溶剂结构以及成膜过程与溶剂型涂料有很大的差异，在设计配方时，需要考虑许多不同的因素。文章选用的树脂为嘉宝莉化工自己生产的自交联聚氨酯乳液，从实验出发，从多个角度来分析水性木器涂料施工和性能的影响因素。
1 实验部分
1.1 实验原材料
实验用原材料见表1。
表1 实验用原材料
1.2 实验步骤
1.2.1 实验基本配方
表2 实验配方
两组水性清漆配方：配方11、配方12 和配方13 是采用纤维素增稠剂和聚氨酯增稠剂的体系，通过调整纤维素增稠剂的用量来检测性能的变化；配方21、配方22 和配方23 是采用丙烯酸增稠剂和聚氨酯增稠剂的体系，通过调整丙烯酸增稠剂的用量来检测性能的变化。
1.2.2 水性清漆制作工艺
用电子天平称量聚氨酯丙烯酸共聚物分散体于分散机中，调节分散机的速度至550～650 r/min，预分散15 min，然后在搅拌状态下加入去离子水、乙二醇丁醚、增稠剂、润湿剂和分散剂，搅拌10 min；调高分散机转速至2200～2400 r/min，分散40～50 min，要求分散后的细度小于35 μm；然后降低分散速度至550～650 r/min，依次加入蜡液，防腐剂，流平剂和消泡剂，配方2 中还加入氨水；最后用160 目的滤布过滤，得到所需要的清漆。
1.2.3 水性清漆漆膜的制作
采用刷涂的方式涂刷在涂料水性底漆的木板上，检测刷涂性能、光泽、丰满度等漆膜性能。采用喷涂的方式直接将水性面漆涂覆在玻璃板上以及马口铁板上。在玻璃板上检测耐磨性和耐水性，在马口铁上检测附着力，硬度和柔韧性。
1.3 性能检测
水性木器清漆的施工性能以及漆膜性能见表3。
表3 不同配方的施工性能和漆膜性能
2 结果与讨论
2.1 流变助剂的特性以及对刷涂性能的影响
2.1.1 流变助剂的作用
流变助剂在水性木器漆中是非常重要的组成部分，它可以提供防沉作用，尤其适用于含有粉料如填充剂或者消光粉体系。另外一个作用是改变施工状态，如防止辊涂时出现飞溅，立面刷涂时出现流挂。同时流变助剂对刷子的痕迹以及刷涂时的手感有明显的影响。
2.1.2 流变助剂的分类及其特性
用于水性木器涂料的流变助剂分为四大类：无机增稠剂类、纤维素增稠剂类、聚丙烯酸类、聚氨酯类。根据增稠剂与乳胶粒子的作用关系可以分为缔合型和非缔合型[4]。无机增稠剂对光泽以及透明度的影响比较大，对表面活性剂比较敏感，主要应用在色漆和结构颜料工业[5]。纤维素增稠剂主要包括羟甲基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基纤维素，具有增稠效率高，相容性好，稳定性高，防止流挂性能强等优点。纤维素增稠剂也有较多明显的缺陷：可能影响流平性能，容易造成刷痕，容易引起飞溅[6]，另外对涂料光泽有一定影响。丙烯酸类增稠剂为阴离子型，该类增稠剂含有离子，其耐水性和耐碱性比较差[7-8]。而耐水性，耐醇性是家具漆的重要指标，在化工行业标准里有明确要求[9]。因而丙烯酸类增稠剂的应用受到限制。聚氨酯增稠剂具有良好的流平性能，不易产生飞溅，不影响涂膜的光泽，甚至可增加光泽[4]，具有良好的耐水性，耐划伤性能及生物稳定性。通过以上分析，只有聚氨酯类增稠剂是用于水性木器漆的最佳选择。
2.1.3 水性涂料的流变状态
水性涂料在不同时期，如在贮存、运输以及施工等情况，所承受的剪切速率有差别。同时不同的施工方式，涂料所受的剪切速率也有较大的差异。如流平和流挂的剪切速率在0.01～0.1 s-1，刷涂的剪切速率在1000～10000 s-1，辊涂的剪切速率在10000～100000 s-1，喷涂的剪切速率在100000～1000000 s-1 [10]。在设计涂料配方时应当全面衡量涂料的流变状态，以便获得良好的贮存性能和施工性能，刷涂时有良好的手感、流平好。
2.1.4 流变助剂的组合与涂料施工和性能的关系
由于流变助剂的选择以及不同流变助剂搭配的比例和用量不同，所设计的水性涂料的流变状态会有很大差别。如图1 所示，通常会有三种情况：第一种是流变曲线基本水平，如曲线1 和曲线2，也就是随着剪切速率的增大，涂料的粘度变化不大。这种情况通常出现在单纯用某些聚氨酯类增稠剂。对于含有一定粉料的体系，加入的增稠剂较多时，如曲线1，在较低剪切速率时，涂料体系的粘度也不高，为了达到比较好的放沉效果，需增加增稠剂用量。另一方面，由于在高剪切速率时，涂料的粘度仍然比较高，要达到合适的施工粘度，需要加大稀释用水的用量。这样会降低成膜的有效成分，漆膜的丰满度和光泽都会下降。如果减少增稠剂的用量，如曲线2，施工时有效成分可以提高，得到较好的漆膜效果。但是在低剪切速率时，如在贮存阶段，涂料有可能出现沉淀。曲线1 和曲线2 的配方设计是不科学的。同样曲线4 的配方体系也存在问题，在低剪切速率时，涂料的粘度比较高，能够有很好的放沉效果。在高剪切速率时涂料的粘度变得很低，此时刷涂手感很差，厚度和流平性能难以保证。曲线3 所代表的涂料的流变状态比较理想。低剪切速率时的粘度比较高，高剪切速率时的粘度正好在合适的刷涂粘度区域。
2.2 增稠剂的组合与涂料性能的关系
2.2.1 增稠剂的组合与涂料防沉性能
比较配方11，12 和13，当增稠剂639 的用量不够时，如配方11，在低剪切速率时涂料的粘度比较低，贮存阶段容易出现沉淀，如图1 中的曲线2 所示。同样在配方21，22，23 中，由于增稠剂1130 的用量不够，如配方21，贮存阶段也容易出现沉淀。这种情况下需要增加增稠剂的用量，只要调整流变曲线至曲线3 的状态。低剪切速率下流变助剂用量的确定，一般通过热贮存和常温贮存试验确定。
2.2.2 增稠剂的组合与涂料刷涂性能
增稠剂用量的变化会引起刷涂性能的变化。对于纤维素增稠剂，用量较少时，刷痕较少，漆膜平整光滑，如配方11 和12，当纤维素增稠剂用量增加到一定程度时，刷痕比较明显，如配方12。问题的出现类似如图1 的曲线4，由于纤维素增稠剂过多，导致涂料的在施工剪切力消失后粘度回复过快，影响漆膜流平。但对于丙烯酸类增稠剂，用量的变化对漆膜的刷痕影响不明显，这与增稠剂的特性有关。选择纤维素增稠剂时，应该选择中等粘度的纤维素增稠剂，同时控制用量，这样既可以满足低剪切速率时的防沉要求，又可以保证良好的刷涂效果。
2.2.3 增稠剂的组合与涂料耐水性能
耐水性能是对家具涂膜的一项重要指标。从配方21，22 和23 可以看出，随着丙烯酸类增稠剂1130 增加时，其涂膜的耐水性能明显变差，这与丙烯酸类增稠剂含有离子，对电解质含量敏感有关。而含有纤维素类增稠剂的配方11，12 和13，其耐水性不受增稠剂639 变化的影响。同时也发现，使用纤维素类增稠剂漆膜表干比较快，对漆膜硬度增加，但是对漆膜的丰满度有一定负面影响，这与这类增稠剂本身的分子量比较大以及分子结构有关。而使用丙烯酸类增稠剂对漆膜丰满度和光泽都没有明显影响，因为丙烯酸类增稠剂分子量相对比较小，对漆膜性能影响不明显。
3 结论
水性木器漆采用不同增稠助剂搭配可以得到良好的刷涂性能，采用不同的助剂搭配会影响漆膜的性能。采用纤维素增稠剂与聚氨酯增稠剂时，影响漆膜的丰满度，但不影响漆膜的耐水性，而采用丙烯酸增稠剂聚氨酯和增稠剂时，不影响漆膜的丰满度，但是对漆膜的耐水性有影响。由于家具的日常使用经常会与水接触，对耐水性要求比较高，应该采用纤维素增稠剂与聚氨酯增稠剂配合方式。水性涂料用于家庭装修是社会发展的趋势。在设计水性涂料配方时，需要根据不同的涂料体系，选择合适的流变助剂，优化不同流变助剂的组合，以达到良好的流变状态以及刷涂性能。同时也要注意搭配其它的改型助剂，如流平剂，消泡剂和蜡液，以获得最佳的漆膜效果，满足家庭使用的需要。