近年来,随着国家环保政策的推进以及消费者环保意识的提升,水性涂料得到了大力的发展,消费者在逐步接受并使用水性涂料的同时,对水性涂料的实用性提出了进一步的要求[1]。
作为日常生活中常用的涂料品种,木器漆要完成从溶剂型向水性的转化也同样需要经历一个过程。消费者普遍反应,市场上的单组分水性木器漆的漆膜性能无法达到以往使用的溶剂型木器漆的性能标准。所以,水性双组分木器漆应运而生。
常规的水性双组分木器漆进入零售市场应用后,
使用活化期将会成为其面临的重要问题:(1)主漆与固化剂混合达到或超过活化期后,体系依然保持液态,若施工者没有及时察觉而继续使用,则会导致漆膜弊病的出现;(2)主漆和固化剂混合后,在活化期内的不同时间段形成的漆膜性能略有不同[2]。为了解决上述问题,本研究开发出了一种在活化期内性能保持稳定的、且活化期到期后即显示出胶化状外观的双组分水性聚氨酯木器漆,以期达到零售市场对该种类木器漆产品的应用需求,同时填补了目前此类产品在零售市场的空白。
1 实验部分
1.1 原料
含羟基的丙烯酸乳液A、B:工业级,帝斯曼(中国)有限公司;含羟基的丙烯酸乳液C、D、E、F:工业级,科思创聚合物(中国)有限公司;固化剂A、B、E:工业级,科思创聚合物(中国)有限公司;固化剂C、D:工业级,日本东曹;润湿剂、流变助剂、流平剂:工业级,毕克化学;消泡剂:工业级,赢创特种化学;杀菌剂:工业级,朗盛化学;成膜助剂二丙二醇甲醚(DPM)、成膜助剂二丙二醇丁醚(DPnB)、溶剂二丙二醇二甲醚(DMM):工业级,陶氏化学;纯水。
1.2 仪器设备
JSF 400搅拌砂磨分散多用机、100 μm湿膜制备器:上海现代环境工程技术股份有限公司;电子天平:ME2002E,梅特勒-托利仪器(上海)有限公司;260型三角度光泽仪:SHEEN;斯托默黏度计:BROOKFIELD KU-2;铅笔硬度计:BGD 507/1,广州标格达实验室仪器用品有限公司;LC-213鼓风干燥箱,上海爱斯佩克环境设备有限公司。
1.3 实验过程
1.3.1 主漆的制备
将乳液A、B、C、D、E、F两两搭配,进行主漆配制。下面以乳液A与乳液B搭配为例进行制备说明。按表1配方,将乳液A加入搅拌罐中,在搅拌速度1 000 r/min下加入乳液B分散5 min后,依次加入润湿剂、成膜助剂、消泡剂、流变助剂、流平剂、杀菌剂,分散20 min至刮板无缩孔,补足配方中的水,继续分散5~10 min,制得主漆。
1.3.2 固化剂的制备
1.3.3 漆膜的制备
(1)透明度测试用漆膜的制备
将制备得到的主漆静置24 h以上,待气泡消除后,刮涂于透明聚酯薄膜上,保持湿膜厚100 μm,漆膜在温度(23±2) ℃、湿度50%±5%的标准条件下保养至干燥后进行测试。
Table 2 Formula of hardener |
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(2)其余性能测试用漆膜的制备
将制备得到的主漆和固化剂静置24 h以上,待气泡消除后将主漆、固化剂和纯水按照质量比5∶1∶1混合均匀,搅拌5~10 min后,制备得到主漆与固化剂混合漆液。将混合漆液按照各性能测试的制板要求进行制板,漆膜在温度(23±2) ℃、湿度50%±5%的标准条件下保养后进行测试。
1.4 性能测试
用涂-4#杯测试主漆与固化剂混合漆液在混合后不同时间段的黏度,以流出时间(s)表征,测试温度为(23±2) ℃。按GB/T 23999—2009测试漆膜的铅笔硬度、附着力和光泽。按GB/T 23999—2009、GB/T 23997—2009分别测试漆膜的耐水性、耐碱性、耐醇性、耐污染性。按GB/T 23997—2009测试漆膜的耐磨性和耐黄变性。按GB/T 23997—2009中耐污染性测试方法测试漆膜对日常调味品、饮料(酱油、醋、咖喱酱、番茄酱、咖啡、红酒、白酒)的耐性。按GB/T 23999—2009中贮存稳定性测试条件(50 ℃)放置4周后,观察贮存稳定性。
2 结果与讨论
2.1 固化剂的选择
2.1.1 固化剂基本参数
固化剂的选择范围相对比较窄,本实验通过供应商提供的固化剂信息选择了5个水性异氰酸酯固化剂。实验用固化剂的基本参数见表3。
Table 3 Basic parameters of hardeners |
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2.1.2 固化剂与水混合测试
在实际应用中,固化剂需要与水性体系有良好的相容性,且能非常容易地在水性体系中混合均匀以达到实际施工中可以通过手工搅拌将主漆与固化剂混合均匀的目的。所以本实验中先将固化剂与水按质量比0.5∶1混合,以50 r/min的转速搅拌,以充分混合均匀所需时间判定固化剂与水混合的难易程度,并选定最容易与水混合均匀的固化剂A、固化剂B进行后续测试。测试结果见表4。
Table 4 Comparison of mixing time |
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2.2 乳液的选择
2.2.1 乳液基本参数
根据供应商推荐信息,本实验选择了6种适用于水性双组分产品的含羟基丙烯酸乳液,基本参数见表5。
Table 5 Basic parameters of emulsions |
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2.2.2 乳液搭配相容性测试
2.3 乳液与固化剂的配套性
根据固化剂筛选以及乳液相容性的测试结果,按照表7将选出的3组乳液搭配得到的主漆与固化剂A、B搭配后,进行性能测试,以确定乳液与固化剂的配套性。
乳液选择A和B,固化剂选择A,得到的漆液黏度及漆膜硬度(划破法)如图1所示。
由图1可以看出,固化剂A搭配乳液A+B得到的体系在0~8 h内漆膜硬度持续下降,混合漆液黏度平稳,最终无胶化现象出现。
乳液选择C和D,固化剂选择A,得到的漆液黏度及漆膜硬度如图2所示。
由图2可以看出,固化剂A搭配乳液C+D得到的体系在0~8 h内硬度稳定,但混合漆液的黏度持续下降,最终无胶化现象出现。
乳液选择E和F,固化剂选择A,得到的漆液黏度及漆膜硬度如图3所示。
由图3可以看出,固化剂A搭配乳液E+F得到的体系0~7 h内漆膜硬度稳定,混合漆液黏度持续升高,至8 h,混合漆液出现目视可见的胶化现象。
乳液选择A和B,固化剂选择B,得到的漆液黏度及漆膜硬度如图4所示。
由图4可以看出,固化剂B搭配乳液A+B得到的体系,漆膜初始硬度较低,且随漆液混合时间增加, 漆膜硬度持续下降,0~8 h内混合漆液黏度基本平稳,最终无胶化现象出现。
Table 6 Test results |
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Table 7 Combination of emulsion and hardedner |
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乳液选择C和D,固化剂选择B,得到的漆液黏度及漆膜硬度如图5所示。
由图5可以看出,固化剂B搭配乳液C+D得到的体系,0~8 h内漆膜硬度逐步下降,混合漆液黏度在0~4 h内逐步下降,4 h后黏度逐步平稳,最终无胶化现象出现。
乳液选择E和F,固化剂选择B,得到的漆液黏度及漆膜硬度如图6所示。
由图6可以看出,固化剂B搭配乳液E+F得到的体系,在0~4 h内漆膜硬度稳定,但硬度较低,5~8 h内硬度下降,0~8 h内混合漆液黏度逐步缓慢上升,涨幅较小,未出现胶化现象,但隔天目视观察发现胶化。
由上可知,所有的测试方案中,只有乳液E+F与固化剂A的搭配可以满足产品可视胶化、胶化前性能稳定的初步需求。实验又对该体系混合后各时期的性能进行了测试,发现在胶化前的0~7 h内,漆膜各项基本性能稳定,具体数据见表8。
2.4 与溶剂型双组分木器漆的性能对比
实验选择乳液E和乳液F,搭配固化剂A,制备水性双组分聚氨酯涂料。按照设计目标,实验制备的水性双组分聚氨酯涂料的性能要接近或等同溶剂型双组分聚氨酯涂料,因此按照GB/T 23997—2009 《室内装饰装修用溶剂型聚氨酯木器涂料》测试漆膜性能。
2.4.1 漆膜常规性能测试
漆膜的常规性能测试结果如表9所示。
2.4.2 针对日常食品的耐性测试
由图7可以看出,实验选定的乳液E+F与固化剂A的搭配方案可以使水性双组分聚氨酯涂料达到与溶剂型双组分聚氨酯涂料等同的耐性。
2.5 固化机理探讨
考虑到水性双组分聚氨酯涂料产品的实用性,本课题研发的主要目标如下:一,主漆与固化剂的混合液在活化期到期时,液态的混合漆产生胶化现象;二,主漆与固化剂的混合液在活化期中的任何时间检测其样板性能都是相同的。经过研究,本实验体系主要的化学反应包括以下4种类型,如式(1)~式(4)。
通过对乳液的选择、与固化剂的搭配进行探讨,对应用性能的反复测定,实验确定了合理搭配比例。整个活化期反应中,4种反应均存在,且各个阶段主反应不同,保证了产品在整个活化期中性能的稳定以及在活化期终点漆液按要求胶化的结果。
3 结 语
通过选择合适的乳液搭配合适的固化剂,使水性双组分聚氨酯涂料在施工过程中通过出现可视的胶化现象来判断其适应期,确保了现场装修过程中涂料施工的可靠性。同时,在活化期内施工,该涂料体系漆膜性能稳定,基本达到了双组分溶剂型涂料的性能,可以满足消费者的使用要求。该涂料产品目前已正式在家装市场上进行了销售,为消费者的家庭装潢提供了更优的选择。