水性双组分木器涂料的应用

林进辉

技术部经理
 
水性双组分木器涂料在高固含量、耐磨性、柔韧性、耐化学品性和耐久性方面取得质的飞跃,其性能与传统的溶剂型双组分体系相媲美,更进一步推动了水性树脂的市场应用。着重介绍水性双组分体系在木器涂料更新换代中应用
研究课题:水性家装木器漆(WB)

林进辉,李玉录,江宛芸,熊学军

(东莞大宝化工制品有限公司,广东东莞523820)

摘要:水性双组分木器涂料在高固含量、耐磨性、柔韧性、耐化学品性和耐久性方面取得质的飞跃,其性能与传统的溶剂型双组分体系相媲美,更进一步推动了水性树脂的市场应用。着重介绍水性双组分体系在木器涂料更新换代中的具体应用。

关键词:双组分;水性木器涂料;聚氨酯;耐水性;高固体分;耐化学性;施工工艺;家具

0 前言
近年来,我国政府和公众对环境的关注已经明显增强。随着一系列环保法律法规的出台以及地方政府的政策规定,传统溶剂型涂料中挥发性有机化合物(VOC)以及有害空气污染物(HAPs)的使用愈来愈受到限制。在过去的几年中,越来越多的涂料厂和家具生产厂开始大力推行水性涂料以取代传统的溶剂型涂料。
用于木器涂料的单组分水性涂料取得了较大的发展,大多集中在水性丙烯酸和单组分水性聚氨酯体系。水性丙烯酸具有市场接受度早和价格低廉的优点,但存在机械性能及耐化学性能差、热黏冷脆、抗黏性差等缺点。单组分水性聚氨酯涂料亦不能与溶剂型涂料媲美,两者均不适合制作高质量的木器涂料,而双组分水性聚氨酯涂料具有高性能和多功能,比如高固体分,耐磨性、柔韧性、耐化学品性和耐久性良好,同时大大降低VOC的释放,可满足高档涂料需求,所以双组分水性聚氨酯涂料是水性涂料发展方向和研究热点。
1 试验部分
1.1 水性木器涂料与溶剂型PU木器涂料的优劣

造成水性木器涂料发展如此缓慢的主要因素是技术上的突破瓶颈,与溶剂型PU木器涂料相比,水性木器涂料存在固含量较低、干燥时间过长、丰满度不足等问题。水性单组分自交联体系,可以在一定程度上解决木器涂料所遇到的问题,比如耐水性、封单宁酸油脂、抗开裂性能以及在水性体系中的稳定性等方面上,此类体系较好地适用于木器底漆方面,但是在面漆的抗划伤、高光泽、耐磨性、耐化学品方面与传统的溶剂型涂料系列有较大差异,尤其与传统溶剂型双组分相比,客户更习惯于以传统溶剂型双组分性能去作衡量,这就使得单组分体系失去了应有的优势。
水性双组分聚氨酯涂料与溶剂型聚氨酯涂料一样,如图1所示主要由羟基组分和异氰酸酯固化剂混合而成。在图2中可以发现最终涂膜的分子链中的硬段是大量的氨基甲酸酯基团,并容易形成氢键,软段则提供灵活性,软硬段的结合以及交联密度高使涂膜表现出高的机械性能和耐化性能。由于家具厂对于涂料的施工性能以及涂膜的性能要求不同,可以灵活地选择不同种类、不同羟基含量的树脂,搭配不同性能的异氰酸酯固化剂,以实现最佳的性价比。比如,Tg较高的树脂一般干性较好,但活化期或许会比较短;如果要得到物化性能更好的涂膜,则应该选择羟值较高的树脂;为了得到高透明性或者高光泽的体系,宜选用二级分散体,并搭配混溶性好的异氰酸酯固化剂。在实际的配方中,经常会使用各种树脂和各种固化剂的搭配。

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1.2 水性双组分木器涂料用树脂
羟基树脂可分为乳液型多元醇和分散体型多元醇,双组分水性聚氨酯涂料由水性羟基树脂和聚氨酯固化剂组成,其中水性羟基树脂包括乳液型和水分散体型(见图3)。
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乳液型多元醇主要指丙烯酸多元醇乳液,一般采用乳液聚合方式合成,其主要优点是成本较低,产品中一般不含有溶剂,因为分子量大,Tg较高,涂膜在室温下干燥速度较快,但羟基官能度不高,对聚氨酯固化剂的乳化能力不强,其双组分涂膜性能尤其是涂膜外观和光泽一般,用这种乳液配制的涂料体系常常活化期较短,适合应用于哑光和快干的工业木器和家具的涂装。

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分散体型多元醇常称为二级分散体,在均相体系中合成以后再分散在水中形成稳定状态,常含有少量溶剂。因结构不同可分为聚酯型多元醇分散体、聚氨酯型多元醇分散体、羟基丙烯酸多元醇分散体和聚酯-聚氨酯多元醇分散体等。分散体型多元醇可以控制较低的分子量和更窄的分子量分布,保留更高的羟基含量,以达到更高的交联密度,使涂膜具有良好的机械性能和耐化学性能。同时涂膜更加通透,木纹显影性好,也可以获得很高光泽,但是干燥速度稍慢。选用羟基聚氨酯多元醇分散体则可以达到快速干燥,固含量建立更快,更好的耐磨性,同时可以获得超低气味、超低VOC的涂料体系。

2 试验部分

2.1 试验原料(见表1)

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2.2 试验设备(见表2)

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2.3 双组分水性木器面漆的物性要求(见表3)
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2.4 双组分水性木器面漆的配方及生产工艺
2.4.1 双组分水性木器面漆的配方
羟丙与PUD复配配方(A1~A3)见表4。
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高羟丙与低羟丙复配配方(B1~B5)见表5。
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2.4.2 水性木器双组分底漆的配方(见表6)
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生产工艺:首先将树脂乳液加入分散釜中,在中速搅拌下加入消泡剂,分散10 min左右,依次加入基材润湿剂,经水稀释后的成膜助剂,高速搅拌一段时间,低速搅拌下加入功能助剂杀菌剂等,搅拌均匀过滤包装。

2.5 施工工艺和性能检测
2.5.1 溶剂型底与水性双组分面搭配样板制备及施工工艺
取1块未经过打磨的樱桃木板,以320#砂纸仔细打磨后,其中1块(a)喷上溶剂型双组分底漆,喷涂量80~100 g/m2,自然待干4 h后,320#砂纸砂光后喷涂第二道溶剂型双组分底漆,喷涂量80~100 g,待干4h,320#砂纸重新打磨均匀,喷涂第三道溶剂型双组分底漆,待干24 h检测;以400#~600#砂纸仔细打磨后,喷涂水性双组分哑光面漆,喷涂量80~100 g,待干72h后对比测试。
2.5.2 水性底与水性双组分面搭配样板制备及施工工艺
取1块未经过打磨的樱桃木板,以320#砂纸仔细打磨后,其中1块(a)喷上水性双组分底漆,喷涂量80~100 g/m2,自然待干4 h后,320#砂纸砂光后喷涂第二道水性双组分底漆,喷涂量80~100 g,待干4 h,320#砂纸重新打磨均匀,喷涂第三道水性双组分底漆,待干24 h检测;以400#~600#砂纸仔细打磨后,喷涂水性双组分哑光面漆,喷涂量80~100 g,待干72 h后检测对比测试。
3 结果与讨论
3.1 水性双组分木器涂料树脂选择

3.1.1 溶剂型底水性面流程中树脂的选择
为获得与溶剂型PU涂料相媲美的高固体分涂料,试验初期选择了羟基丙烯酸树脂与具有较高Tg点(约70~100 ℃)的PUD树脂混合使用,希望能达到高固体分的要求。如表7所示选择了不同Tg的PUD树脂作为基质,配方A1固含量较低为HB,手感也稍差一些,且该配方与溶剂型PU底漆的层间附着非常差,发生整片涂膜剥落的现象。A2配方虽然稍稍改善了层间附着的问题,但仍然无法被客户所接受使用,且该配方的固含量与手感也还存在着不足的问题,最后的A3配方在固含量方面可以达到2H,而且与溶剂型PU底漆的层间附着也可达到95%~100%,但由于该树脂价格过高,最后并未采用。面漆测试见表7。
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上述配方存在层间附着的问题,究其原因为PUD本身不含羟基,也不与—NCO发生交联反应,因此上述3个测试配方的架桥率偏低,大约为0.8左右,同时因其Tg较高,虽然有助于提高固含量,但是过高的Tg导致了与溶剂型底漆间的附着力变差,如图5(a)所示。鉴于此,采用了高羟与低羟复配的方式来进行树脂的选择,见图5(b)。
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高羟丙烯酸树脂本身有利于制作高亮光的产品,而低羟丙烯酸树脂则算是有利于消光之树脂,一般来说高羟树脂的单价偏高,此搭配方式一方面为降低成本,一方面也有利于对于消光涂料的制作;与此同时也增加固化剂的添加量,使该架桥率得以达到1.3~1.5,可以改善固含量过低的问题。测试B1~B5的配方,从表8可以发现,采用此种方式后,与溶剂型底漆之层间附着问题得到完全改善,且固含量测试至少可以达到F;其中B3为乳液类型树脂,由测试结果可以看出,其光泽度最低,透明性在对比样品中最差,耐水性及丰满度也都较其余几种样品的性能较差,此结果也验证了前述的乳液类型羟基树脂适合于低光泽产品。就综合物性而言,在4种样品中B4配方样品性能最优。

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将上述配方体系样品按照油底水面流程,并与同业样品一起制作了流程板,测试后得出以下对比物性,见表9(流程制作参照2.5)。

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(1)樱桃木→PU溶剂型底漆→B4(CWY-6551A6)(3回)
(2)樱桃木→PU溶剂型底漆→同业A(3回)
(3)樱桃木→PU溶剂型底漆→同业B(3回)
(4)樱桃木→PU溶剂型底漆→同业C(3回)
在相同的喷涂条件下于樱桃木上喷涂了3道涂料,表9为本试验水性双组分涂料与3家同业厂商之物性对比,在附着、耐弯曲、丰满度、流挂以及循环测试中并无太大的差异,最明显的差异显示于固含量上,本试验的双组分水性面漆固含量已可达H,明显优于其他家厂商的双组分涂料。    

3.1.2 水底水面树脂选择
基于上述基础工作,水面在油底上取得良好的应用效果,将所得配方导入水底水面,在整个流程中施工顺利,涂膜层间附着良好,整体涂膜物性优异。
3.2 水性双组分木器涂料固化剂选择
3.2.1 固化剂基本性质对比
在双组分水性木器中除了主剂中的树脂之外,另一个影响涂膜特性的重要元素就是固化剂,以下针对不同固化剂进行了各种物性比较。如表10所示,我们观察到编号H00、H01、H08具有较优异的水中分散性,但因H01、H08的—NCO含量较低,在固化剂用量上略高于编号H00约5%(质量分数)左右。
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3.2.2 固化剂对可使用时间的影响
在实际应用中,正如传统溶剂型PU一样,双组分涂料可使用时间(Pot life)是一个重要的衡量指标,图6、表11为不同固化剂的可使用时间对比测试结果。
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从图6可以观察到,不同固化剂对于可使用时间的影响较大,H01与H07皆拥有较长的可使用时间,在6 h之后仍然可以喷涂,其中又以H01上升的幅度最为缓慢,6 h之后的黏度仅有42.22 s,在9种固化剂中表现最为优异。
3.2.3 固化剂在配方中的评测
所有测试物性当中,不同固化剂对于涂膜的光泽与透明性之影响最为显著,测试结果显示在表11中,编号H03、H04、H05、H06涂膜皆产生了明显的橘皮及起泡。主要原因是涂膜表干太快所引起,涂膜在未达到完全平滑状态时,溶剂已大部分挥发,流动性大为降低,造成涂膜表面凹凸不平。在固含量测试方面,使用不同的固化剂亦略有差异,大都可以达到HB~F,已相当接近溶剂型PU所达到的固含量(F~H);耐酒精测试的部分表现略差,尚有改善的空间。由上述可知,不同的固化剂对光泽、透明性、可使用时间、耐酒精性以及固含量等物性有较大的影响,因此欲制作性能优异的水性双组分涂料除了树脂之外,固化剂为双组分水性木器涂料中另一个挑选的重点对象。
3.3 增稠剂选择结果比较
由于双组分水性涂料本身是由主剂与固化剂反应交联而固化成形的涂膜,相较于单组分水性木器涂料仅有物理性挥发,双组分水性涂料需特别注意可使用时间的控制,其中增稠剂对可使用时间的影响显著,图7针对不同的增稠剂进行讨论。
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从图7观察可发现硅酸盐触变型并无法有效提升黏度,将其加入主剂之后黏度仍旧维持于10多秒左右,但能有效提升抗流挂性能;而碱溶胀假塑型的黏度变化则呈现不断下降的趋势;另外无论是PU缔合假塑型或是PU缔合牛顿型的增稠剂其稀释黏度皆呈现上升的趋势,因此需多种增稠剂互相搭配方能达到理想的可使用时间。目前本试验产品经不断改善调整后已能达到约4~6 h的可使用时间。    

3.4 双组分水性聚氨酯涂料的不同搭配工艺流程及市场应用
施工工艺流程在水性木器涂料之应用中占据重要的角色,配合良好的施工工艺,才能更好地彰显水性木器涂料的魅力,表12是本试验开发的相关产品部分工艺流程和工艺效果。
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水性双组分聚氨酯涂料对施工环境要求相对苛刻,但是在合适环境中,其干燥速度及后期综合物性可与传统溶剂型PU涂料相媲美,经过不懈努力,开发出系列配套施工工艺,完美地解决了水性涂料使用中的各种挑战,在市场中获得了广大客户的认可。图8为某家具厂涂装效果以及现场生产涂装效果。
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4 结语
(1)乳液型多元醇对聚氨酯固化剂的乳化能力不强,其双组分涂膜性能尤其是涂膜外观和光泽一般,用这种乳液配制的涂料体系常常活化期较短。适合应用于哑光和快干的工业木器和家具的涂装。分散体型多元醇,使涂膜具有良好的机械性能和耐化学性能。同时涂膜更加通透,木纹显影性好,也可以获得很高光泽。
(2)在实际施工应用中,由于木材种类不同,为应对各种弊病,就需要开发不同涂料品种以适应之,增加施工工艺,造成涂料厂商成本上升,该双组分面漆的开发及应用,解决了以上难题,同时经过不懈努力,将配方同施工工艺同步优化,大大缩减了施工流程,操作像使用溶剂型涂料一样简单方便,施工人员无需改变其施工习惯即可上手操作,大大减少培训成本,同时加快水性木器涂料占领市场的步伐。
(3)2015更严苛的环保法规再度出台(涂料消费税等),行业将因时应战,挑战水性化极限,推出更适合市场及客户的产品。


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