木器涂料改性的新进展

data-full-width-responsive="true"> 0 前 言在木器涂料发展过程中，紫外光（UV）固化、水性和UV固化水性木器涂料是重要品种，能降低VOC，减少污染，还能改进某些性能，是重点发展的木器涂料品种。在欧洲，2006年UV固化木器涂料占144%，预计每年以两位数的速度增长；水性木器涂料占比184%，每年增速大于5%；UV固化水性木器涂料已开始产业化。2009年国内水性木器涂料占整个木器涂料2%左右，UV固化木器涂料占比8%左右，差距较大。对这些品种的发展，一直受到国内外涂料界的关注，都在积极开展研究，主要集中于用新材料、新技术进一步改进质量，降低污染，提高性价比。近年来，对这些品种的改性工作报道很多[1-3]。本文对其中的一些进展作简介。1 水性与UV固化木器涂料改性的研究11 新材料改性UV固化木器涂料具有高涂装效率、低VOC、性能较好的优点，发展较快。品种有阴离子固化和阳离子固化两种类型，而以前者应用较多。树脂分子中含丙烯酰氧基是产生自由基、进行阴离子型UV固化的前提。常用的品种有丙烯酸-聚酯、丙烯酸-环氧、丙烯酸-聚氨酯、丙烯酸-有机硅等。以丙烯酸-环氧消费量高，如2009年全国生产与消费UV固化树脂585万t，丙烯酸-环氧树脂占29万t，几乎占一半[2]。为提高UV固化外用木器涂料的耐候性、抗沾污性、化学抗性，用氟材料改性UV固化丙烯酸涂料的研究较多，技术途径多样。氟化丙烯酸酯如全氟烷基乙基丙烯酸酯已商品化，从它们出发可以制含氟的UV固化的丙烯酸酯涂料、丙烯酸-环氧涂料，可以明显提高耐候性和抗沾污性。氟化多元醇和多异氰酸酯反应制成端NCO预聚物，再引入丙烯酰氧基，可制成UV固化聚氨酯-丙烯酸酯涂料[4-5]。也可用氟化多异氰酸酯合成丙烯酸-聚氨酯UV固化涂料，只是氟化多异氰酯单体成本高，影响产业化。用六氟丙酮、苯与环氧氯丙烷，在NaOH与催化剂存在下，反应生成含氟的环氧低聚树脂（如图1）[5]。这种树脂可作为阳离子UV固化的主要组分，式中Rf代表全氟烷基。有报道[6]，利用含SiH键的有机硅单体和氟化丙烯酸酯的双键进行硅氢化加成反应，同时进行含氟硅材料改性，制成可UV固化的涂料，以提高木器涂料的耐磨性和耐热性能。12 用纳米材料代替乳化剂进行无皂聚合水性木器涂料树脂范振天[7]用包括苯乙烯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯为主要单体，添加乙烯基三甲氧基硅烷，用自制的纳米材料XⅠ代替乳化剂，进行无皂聚合成硅烷改性的丙烯酸酯类多元醇，按n(NCO)/n(OH)的一定比例添加多异氰酸酯,合成水性聚氨酯分散体。硅氧烷端基水解形成SiOH，进而缩合形成SiOSi键。试验证明，有机硅单体用量占总量的12%，可以达到较高的交联度。增加涂膜的交联密度，提高涂膜硬度、耐溶剂性、抗粘连性。试验还考察了纳米材料XⅠ用量对乳液颗粒大小的影响，在总量中占5%，乳液粒在10 m,使乳液的黏度和固含量达到较满意的平衡。由于用纳米材料代替乳化剂进行无皂聚合，减少因乳化剂带来的耐水性较差等负面影响；还发现乳胶粒子分布变窄，这些也有利于涂膜性能改善。用合成的这种有机硅改性的丙烯酸酯水分散体进一步配制木器底漆、面漆，经检测，明显提高了涂膜的干性、硬度、耐水性和防腐性能。13 用纳米材料改性UV固化水性木器涂料131 UV固化水性木器涂料的优势水性木器涂料和UV固化木器涂料已都属低污染型品种，再发展UV固化水性木器涂料有什么意义？因为UV固化水性木器涂料有比较优势，可以综合二者的优点。传统的溶剂型UV固化涂料体系的主要成分是低聚物，一般具有较高的黏度，因此必须加入低相对分子质量的活性稀释剂以调节黏度，而这种稀释剂大多具有毒性和刺激性。UV固化水性木器涂料结合了传统UV固化木器涂料和水性木器涂料二者的特点。UV固化水性涂料具有如下优点[8-10]：①可通过加入水或传统的增稠剂、流变助剂等，以调节涂料的黏度和流变性能；②可实现无活性稀释剂配方；③无VOC、刺激性及臭味等问题；④可适用各种涂装设备；⑤可避免由于用活性稀释剂所引起的固化体积收缩问题，提高固化膜对底材的附着力；⑥可实现薄涂层涂布，降低成本；⑦涂装设备易用水清洗。在欧美等发达国家，已推出了UV固化水性涂料产品，主要用作木器、塑料清漆、罩光清漆、丝印油墨等。主要品种有不饱和聚酯、丙烯酸酯-聚氨酯（PUA）、聚丙烯酸酯和丙烯酸酯-聚酯等4类。其中，PUA涂料的综合性能最好，包括手感、柔韧性、较高的抗冲击性和抗张强度，是UV固化水性涂料中的研究热点。UV固化水性丙烯酸涂料与传统UV固化涂料相比，优势明显；和水性丙烯酸涂料相比，主要优点是生产率高，适合流水线生产，尤其是所得涂膜性能优良，可达到同类溶剂型丙烯酸涂料性能水平，有些性能如硬度等还有所超过。但UV固化水性木器涂料在施工后要经过预热炉，以蒸发水分，增加设备投资和工序；在UV固化时要克服去水的涂膜可能固化深度不足的缺点，这在实际中均已克服[8]。132 用纳米材料改性UV固化水性木器涂料聚氨酯-丙烯酸酯水分散体是UV固化水性木器涂料的首选树脂，性能显著优于乳化型分散体，也优于丙烯酸酯、聚酯-丙烯酸酯等分散体、UV固化聚氨酯-丙烯酸酯水分散体，可以形成综合性能较好的涂膜[8-9]。但性能改进的空间仍较大。纳米改性UV固化的水性丙烯酸-聚氨酯树脂，国内外有一些报道。Caroline Sow等[10]采用纳米氧化铝和氧化硅改性UV固化水性聚氨酯-丙烯酸酯涂料（PUA），配方见表1。纳米氧化铝和表面改性的氧化硅性能如表2。将纳米三氧化二铝、二氧化硅粒子分别直接和PUA高速搅拌混和，透射电镜（TEM）分析证实，分散在UV固化水性聚氨酯丙烯酸涂料中的纳米粒子有团聚现象，粒子尺寸大于原级粒子，增加了涂膜表面粗糙度，使涂膜光泽降低；纳米粒子在基料中团聚，降低了纳米粒子的比表面积，减少了纳米粒子总的交联性能，对涂膜硬度改进不大，甚至使涂膜硬度低于未加纳米粒子的涂膜，并且随纳米粒子加入量增加，团聚作用也增加，涂膜硬度对应地进一步降低。如用超声波分散，能够提高涂膜硬度，改进涂膜抗划伤性。如将MEMO接枝于纳米氧化硅粒子表面上，对纳米氧化硅表面改性，再分散于UV固化的PUA中，TEM分析证实，纳米粒子团聚尺寸和数量均大为降低，只要在UV固化水性PUA涂料中加入1%（质量分数）的这种表面改性的纳米氧化硅，涂膜和未加纳米粒子改性的UV固化水性PUA涂膜对比检测，抗划伤性、附着力和玻璃转化温度(Tg)均有明显提高。这些性能对保护木材表面很有效，特别适用于木制的家具和厨具的制造工业。