高固含、快干型水性木器白色底漆的配方設(shè)計(jì)

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      摘要：探討了用于封閉中纖板的水性白色底漆的配方設(shè)計(jì)思路 , 重點(diǎn)討論了整個(gè)配方設(shè)計(jì)過程中乳液的選擇、填料的選擇、成膜助劑、流變助劑以及消泡劑的相互搭配 , 研制出具有良好打磨性和填充性以及高固含的快干型水性白色底漆。

0 前 言

水性木器涂料由于自身存在硬度、豐滿度和價(jià)格等問題 , 在一定程度上限制了水性木器涂料在工業(yè)的推廣和應(yīng)用 , 尤其是對于凹凸不平的底材 , 例如夾板類或者中纖板等 , 想要封閉住中纖板上的所有纖維往往需要多道施工 , 而客戶希望在保證封閉性的同時(shí)為降低成本而提出減少施工次數(shù) , 只在中纖板上涂裝兩遍水性白底漆 , 要求好的打磨性和填充性 , 并且在夏天 ( 溫度大約 30 ℃ , 濕度大約 70 ％ ) 干燥 1 h 后打磨不粘砂紙 , 對底材有良好的封閉作用并且價(jià)格便宜。而普通的水性白底漆由于固含低、封閉性不佳等問題應(yīng)用于中纖板的封閉涂裝時(shí) , 往往會出現(xiàn)以下問題：有的填充性好但是打磨性不佳；有的打磨性好但是封閉性不良需要多道施工；有的性能好但是價(jià)格昂貴客戶不接受以及還存在儲存穩(wěn)定性不佳 , 一段時(shí)間白底漆出現(xiàn)大量沉淀等問題。本研究的目的是為客戶開發(fā)一款價(jià)格合適、性能優(yōu)良的應(yīng)用于中纖板底材封閉的高固含快干型的水性白色底漆。

1 配方的設(shè)計(jì)思路和原理

1.1 乳液的選擇

乳液是水性木器涂料的重要成膜物質(zhì) , 是整個(gè)配方的關(guān)鍵成分。聚氨酯類乳液雖然性能優(yōu)良 , 耐磨性和耐化學(xué)品性能好 , 但是沒有價(jià)格優(yōu)勢；丙烯酸聚氨酯乳液具有水性聚氨酯優(yōu)異的性能 , 又具有丙烯酸樹脂優(yōu)異的耐候性及對顏料的潤濕性等性能 , 但是一般用于制備中高檔水性木器面漆 , 而丙烯酸類的乳液制成的木器涂料具有干燥速度快、保光和保色性以及附著力好等優(yōu)點(diǎn) , 是目前應(yīng)用于水性木器涂料領(lǐng)域的主要乳液品種 , 尤其適合于廉價(jià)而快干的底漆制作。本試驗(yàn)經(jīng)綜合考慮各種丙烯酸乳液的價(jià)格和性能后 , 最終篩選了兩款進(jìn)口具有核殼結(jié)構(gòu)的丙烯酸乳液 A 和 B, 它們有類似的固含量和成膜溫度 , 數(shù)據(jù)見表 1 。

表 1 乳液的基本數(shù)據(jù)

底漆中乳液的選擇好壞影響涂膜的干燥速度、成膜性、顏填料的分散性等 , 對不平的底材應(yīng)該盡量選擇粒徑小、滲透性好的乳液 , 小粒徑的乳液具有好的填充性 , 細(xì)小的顆粒能夠很好地滲透到導(dǎo)管處 , 起到填平作用 , 將兩款乳液制成水性白色底漆后 , 配方見表 2, 比較兩者的干燥速度、打磨性、填充性等 , 結(jié)果見表 3 。

表 2 水性白底漆配方

注：白色漿是自制的 , 固含量為 70 ％。

表 3 基本性能測試結(jié)果

注： 1. 除填充性和打磨性在中纖板上測試 , 其余測試都是在黑白格遮蓋力紙上 (75 μ m) 。

2. 成膜以及檢測的環(huán)境溫度為 30 ℃ , 濕度 70 ％左右。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出 , 在相同的配方體系中 , 只是乳液不同 ,1 ＃ 和 2 ＃ 相比 , 具有相似的填充性 , 但是在打磨性方面 , 前者具有明顯的優(yōu)勢 , 同時(shí)乳液 B 具有更快的干燥速度 , 并且有更好的成膜性 , 這 3 點(diǎn)優(yōu)勢很大程度上滿足了制作水性白底漆的乳液的要求。乳液 B 是一款進(jìn)口的丙烯酸類的金屬交聯(lián)型乳液 , 具有合適的玻璃化溫度 ( 43 ℃ ), 中等的 T g 使乳液既能夠擁有好的成膜性 , 具有合適的硬度 , 同時(shí)保證底漆的打磨性。因?yàn)槿绻橐旱牟ＡЩ瘻囟忍?, 配方中成膜助劑的量需要加大 , 另外水性涂料的成膜受環(huán)境濕度和溫度的影響很大 , 高 T g 的涂膜容易出現(xiàn)開裂 , 尤其是在基材不平的表面 , 出現(xiàn)的概率很大 , 玻璃化溫度低 , 成膜性雖然好 , 但是涂膜容易發(fā)黏 , 并且容易粘砂紙 , 由于客戶對底漆的打磨性要求很高 , 夏天成膜 1 h 后就必須打磨并且要求幾乎不能粘砂紙 , 所以在配方中不宜選用玻璃化溫度太低的乳液。乳液 B 的紅外分析光譜測試見圖 1, 激光粒度儀測試見圖 2 。

圖 1 乳液 B 的 紅 外光譜 圖

圖 2 乳液 B 的 激光粒度儀分析

從圖 1 可以看出波數(shù)為 2 955 cm -1 、 1 731 c m -1 、 1 451 c m -1 、 1 148 c m -1 和 842 c m ㎝ -1 處都是丙烯酸樹脂的特征峰。從激光粒度儀的結(jié)果表 4 中看出 , 該乳液的平均粒徑為 0.073 μ m, 細(xì)的粒徑保證對基材的滲透性 , 能夠快速滲透到木材纖維中 , 并且此款乳液為金屬自交聯(lián)型 , 保證涂膜具有一定的交聯(lián)密度以及對基材的附著力。

表 4 乳液 B 的激光粒度儀分析結(jié)果

1.2 填料的選擇

水性白色底漆中加入填料不僅可以提高色漆體系的 P V C, 改善涂料的施工性能 , 提高顏料的懸浮性和防止流掛性 , 又提高涂膜的機(jī)械性能和化學(xué)性能 , 同時(shí)還能降低鈦白粉的用量 , 降低成本。用于白底漆中可以采用的填料很多 , 主要有滑石粉、硫酸鋇、碳酸鈣、二氧化硅、石膏、高嶺土等 [1] 。筆者研究了不同的填料在涂膜中發(fā)揮的作用以及對涂膜產(chǎn)生影響 , 篩選出合適的填料和比例 , 試驗(yàn)配方見表 5, 試驗(yàn)結(jié)果見表 6 。

表 5 不同填料的水性白色底漆配方

表 6 不同填料的水性白底漆性能測試結(jié)果

注： 1. 除填充性和打磨性在中纖板上測試 , 其余都測試都是在黑白格遮蓋力紙上 (75 μ m) 。

從表 6 結(jié)果可以看出滑石粉和高嶺土可以為涂

膜提供好的打磨性 , 由于這些填料都具有較低的莫 氏硬度 , 滑石粉的莫氏硬度為 1, 是所有填料中最小的 , 這些填料的存在保證了底漆的打磨性 , 還能夠更好地幫助成膜 , 為涂膜提供抗劃傷性 , 滑石粉主要成分為硅酸鎂 , 吸油量一般 ,2.7 ～ 2 .8 g /c m 3 的密度使它在涂料中不易下沉。另外它還能幫助鈦白粉懸浮 , 起到防止涂料流掛的作用 , 低成本使其在底漆中得到大量的應(yīng)用。高嶺土可以增加填充性 , 另外也兼具打磨性 , 這類水合硅酸鋁填料代替部分高價(jià)的鈦白粉可以增加涂膜的白度 , 增強(qiáng)外觀 , 而碳酸鈣和硫酸鋇可以為涂膜提供好的填充性 , 不過硫酸鋇的密度大 , 用量過多很容易產(chǎn)生沉淀 , 對涂膜的白度增加也不明顯 , 不推薦在水性木器白底漆中使用 , 基本上可以用碳酸鈣代替。由于水性白底漆的固含量高 , 填料自身已經(jīng)可以提供很好的打磨性 , 所以不需要加入打磨助劑 , 降低成本。因此在水性白底漆可以用到的填料為滑石粉、高嶺土和碳酸鈣 , 熟悉了各種填料在水性白底漆中發(fā)揮的作用 , 便可以根據(jù)需要的性能進(jìn)行靈活搭配。

1.3 成膜助劑的選擇

水性木器涂料中的成膜助劑多數(shù)是醇醚類的溶劑 , 常用的主要是二乙二醇醚類和丙二醇醚類 [2], 應(yīng)用過程中一般都是慢干和快干的成膜助劑搭配使用 , 各種成膜助劑的選擇不僅應(yīng)該參照乳液的最低成膜溫度 , 同時(shí)應(yīng)該根據(jù)季節(jié)來搭配使用 , 夏天和冬天的溫度和濕度都不同 , 夏天溫度高 , 水分揮發(fā)比較快 , 如果過多地選擇快干性的成膜助劑比如乙二醇單丁醚 , 由于揮發(fā)速度過快 , 導(dǎo)致涂膜的形成時(shí)間過短 , 乳膠粒子來不及很好地聚集融合 , 成膜助劑就已經(jīng)隨著水揮發(fā)了 , 造成成膜不好和流平不佳等缺陷；而冬天氣溫低 , 水分揮發(fā)慢 , 成膜助劑揮發(fā)也慢 , 成膜時(shí)間長 , 這時(shí)候?yàn)楸ＷC一定的干燥速度 , 可以多選擇一些快干性成膜助劑 , 有利于縮短施工時(shí)間。另外由于水性白色底漆的填料多 , 相同的乳液量下 , 成膜助劑的用量必須比相應(yīng)的清漆高出幾個(gè)百分點(diǎn) , 這樣才能保證有效成膜。而由于底材不平尤其是存在凹槽的底材第一層底漆的成膜助劑用量也要略微提高 , 避免板材交接處開裂而導(dǎo)致返工問題。另外對于成膜助劑的用量 , 既要考慮乳液的成膜性 , 又要考慮 VOC 含量和回黏現(xiàn)象。

1.4 消泡劑的選擇

乳液中的乳化劑、顏填料的潤濕分散劑以及基材潤濕劑等 , 它們的存在都會導(dǎo)致體系泡沫的產(chǎn)生 , 由于水性白色底漆填料多 , 固含量高 , 顏填料都是顆粒狀物質(zhì) , 在攪拌過程中容易產(chǎn)生氣泡 , 大量的氣泡不僅給施工帶來影響 , 同時(shí)容易形成涂膜的缺陷 , 會導(dǎo)致底材上的第一遍涂膜形成大量針孔 , 尤其是在底材的導(dǎo)管或者凹陷處 , 造成無法潤濕的區(qū)域 , 為了排除基材中的空氣 , 防止噴涂打磨底漆時(shí)產(chǎn)生氣泡、針孔等問題 , 試驗(yàn)對消泡劑進(jìn)行了篩選。礦物油類的消泡劑消泡和抑泡能力差 , 用量大 , 也容易遷移 , 不適合在高填料體系中應(yīng)用；非硅類的消泡劑沒有降低體系表面張力的效果 , 消泡能力也一般； 所以最終選用了有機(jī)硅類的消泡劑 , 并且試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) , 含有氣相二氧化硅憎水顆粒的 Tego Foamex825 在丙烯酸體系和顏填料分散過程中消泡很有效 , 不僅在配方調(diào)配過程中能有效抑制泡沫的產(chǎn)生 , 同時(shí)在噴涂過程中也能夠及時(shí)消除氣泡。

1.5 流變助劑的選擇

水性白色底漆需要用到鈦白粉 , 同時(shí)也要用到大量的體質(zhì)顏料 , 這些顏填料容易導(dǎo)致沉淀的產(chǎn)生 , 影響涂料的儲存穩(wěn)定性和施工性 , 流變助劑的添加在體系中是必不可少的。合適的流變助劑不僅有利于前期顏填料的分散 , 有效控制分散黏度 , 同時(shí)能夠減少能耗 , 降低生產(chǎn)工藝成本 , 同時(shí)能夠?yàn)轶w系帶來穩(wěn)定的流變性。選擇締合型聚氨酯增稠劑能夠?yàn)轶w系提供假塑性黏度行為并控制低剪切黏度 , 它能夠與基料形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) , 產(chǎn)生觸變流動性有效阻止了顏料的沉降 , 即使在低黏度下也具備好的防沉性 , 同時(shí)搭配少量的疏水改性羥乙基纖維素 , 調(diào)整體系的黏度。

2 配方結(jié)果

2.1 水性白色底漆的參考配方 ( 見表 7)

表 7 水性白底漆的參考配方

生產(chǎn)工藝：按表 7 配方將原料 1 ～ 5 按順序依次加入到攪拌罐中 , 低速分散均勻后加入填料 6 ～ 8, 然后高速分散 15 ～ 20 min, 檢測漿料的細(xì)度 , 細(xì)度合格后 , 中速狀態(tài)下加入 9 和 10, 然后勻速加入 11 和 12, 最后按照生產(chǎn)指標(biāo)調(diào)節(jié)黏度和 p H 值。在生產(chǎn)過程中 , 要注意前期填料的分散 , 填料的細(xì)度和分散均勻性直接影響到最后產(chǎn)品的品質(zhì) , 控制合適的黏度有利于填料的分散和降低能耗；成膜助劑的加入要勻速 , 避免局部濃度過高或者溫度高時(shí)可能造成破乳 , 另外筆者加入的白色漿是事先已經(jīng)分散好的 , 其實(shí)鈦白粉也可以和填料一起分散 , 這都可以靈活控制 , 如果最終罐內(nèi)泡沫太多 , 可以適當(dāng)補(bǔ)加少量消泡劑。

2.2 水性白色底漆的性能測試結(jié)果 ( 見表 8)

表 8 產(chǎn)品性能測試

3 應(yīng) 用

這款水性白色底漆擁有優(yōu)異的打磨性和填充性 , 同時(shí)具有干燥速度快、夏天干燥 1 h 后打磨不粘砂紙以及價(jià)廉等優(yōu)勢 , 能夠有效封閉中纖板底材上的木材縫隙 , 穩(wěn)固基材內(nèi)部構(gòu)造 , 施工后底材變形率小 , 纖維基本不膨脹 , 產(chǎn)品已經(jīng)基本為客戶所接受 , 客戶主要用中纖板底材木門的實(shí)色涂裝。另外這款底漆不僅可以用于中纖板的涂裝 , 也可應(yīng)用于封閉夾板類底材 , 具有良好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。中纖板的實(shí)色涂裝流程為：水性白色底漆—水性白色底漆—各種顏色的水性面漆；夾板實(shí)色涂裝流程為：水性膩?zhàn)印园咨灼帷园咨灼帷鞣N顏色的水性面漆。由于夾板類的底材導(dǎo)管粗而深 , 必須先刮涂一層水性膩?zhàn)?, 對基材找平 , 否則難以封閉底材 , 另外如果不刮膩?zhàn)右踩菀仔纬赏磕さ乃莸葐栴}。

4 結(jié) 語

水性木器涂料作為綠色環(huán)保的水性產(chǎn)品 , 無毒、無污染、不燃不爆 , 代表著水性涂料的發(fā)展方向 , 但是普通的水性白色底漆由于豐滿度差 , 施工多道 , 施工時(shí)間長等問題制約著其在某些底材上的應(yīng)用和推廣 , 高固含快干型水性白色底漆的開發(fā)對擴(kuò)大水性木器涂料的應(yīng)用領(lǐng)域有重要意義。