耐磨紫外光固化水性木器涂料的研究

data-full-width-responsive="true"> 0 引 言随着人们环保意识的增强,溶剂型木器涂料有逐步被水性木器涂料取代的趋势,水性木器涂料在我国也有10多年的发展历史,主要有水性醇酸、水性聚氨酯、丙烯酸乳液等品种,与溶剂型木器涂料相比,早期的水性木器涂料存在一些问题,如硬度低、丰满度较差、早期抗黏性较差、抗沾污能力差、耐水性、光泽等均不理想,且有高温回黏等问题,而且价格较高,施工也不是很方便,干燥时间长,不适合大型家具企业的规模生产需要,只适合一般的民用涂装[1-2]。针对这些问题,国内外研究者和相关涂料企业也在做大量的研究和改进工作[3-6]。将水性木器涂料和紫外光固化技术结合起来,可以有效利用光固化技术固化速度快、环保等优点,得到施工方便、各项性能较优的环保型水性木器涂料。本文采用水溶性聚氨酯丙烯酸酯为基础树脂,加入二氧化硅和纳米氧化铝等无机材料,研制具有较好综合性能的紫外光固化水性木器涂料,考察了无机材料的分散稳定性,测试了涂料的各项理化性能。1 试验部分11 原料与试剂水溶性聚氨酯丙烯酸酯,工业品,Sartome r公司;光引发剂D a r o c u r 1173、I r g a c u r e184,工业纯,长沙新宇化工实业有限公司;纳米氧化铝、二氧化硅,工业纯,南京海泰纳米材料科技有限公司;硅烷偶联剂( K H -550, K H -560),工业品,江苏金坛华东偶联剂有限公司;钛酸酯偶联剂( J N - A、J N - B ) ,工业品,常州市吉耐助剂有限公司;消泡剂、分散剂、流平剂等,工业品,Cognis、EFKA公司等。12 耐磨紫外光固化水性木器涂料的制备将水溶性聚氨酯丙烯酸酯、纳米氧化铝、二氧化硅、偶联剂、光引发剂D a r o c u r 1173或I r g a c u r e184、消泡剂、分散剂、流平剂等按一定比例分散均匀,涂布于基材上,用红外灯干燥一定时间后,用紫外光固化机固化,室温放置1 d后测试性能。13 表征方法黏度的测定:将分散好的涂料,在25 ℃的室温下用涂－4杯黏度计测定黏度(GB/T 1723-93)。摆杆硬度的测定:将光固化涂料涂布在95 mm88 m m 5 m m的玻璃片上,固化一定时间后用天津仪器公司的Q B Y型摆杆硬度仪测试其硬度(GB1730-82)。表面光泽度的测定: U V固化膜光泽度用S h e e n仪器有限公司S h e e n 60型光泽仪测定,测试角度为60,折射率为n D =1567的玻璃表面光泽度定义为100%(GB 1743-79)。耐醇性测试:将涂料涂布于马口铁片上,固化后封边,浸泡于50％( V / V )乙醇溶液中8 h ,观察涂膜是否起泡、起皱或脱落(GB/T9274)。耐水性测试:将涂料涂布于马口铁片上,固化后封边,浸泡于水中72 h ,观察涂膜是否起泡、起皱或脱落(GB/T9274)。耐磨性测试:将光固化涂料涂布在中心有圆孔的玻璃片上,固化后用上海现代环境工程技术有限公司的JM－Ⅳ型磨耗仪测试其耐磨性(GB 1768-79)。2 结果与讨论21 涂料黏度对纳米氧化铝分散稳定性的影响调整水溶性聚氨酯丙烯酸酯(W-PUA)、水的比例,加入不同量的二氧化硅,获得不同的黏度,在不加其他助剂的情况下,加入3％的无机纳米氧化铝,通过高速剪切分散,考察不同黏度下纳米氧化铝的分散稳定性,试验结果见表1。该体系采用水作为稀释剂,有别于普通的光固化木器涂料,普通的光固化木器涂料经常需加入较多的低分子质量稀释剂(如丙烯酸丁酯、三丙二醇二丙烯酸酯、1,6－己二醇二丙烯酸酯等) ,这些丙烯酸酯稀释剂有些对人体有毒害或有刺激性。木器涂装中,稀释剂容易扩散到孔隙中而不能固化,而使被涂物长期有异味,用水代替丙烯酸酯稀释剂,具有以下优点:可通过加水或传统的增稠剂、流平剂来调节涂料的黏度和流变性能,降低了体系的毒性和刺激性,不含挥发性有机物,降低了涂料的易燃性。表1实验数据显示:分散体系黏度比较大的时候,纳米粒子的分散稳定性较好;当黏度下降时,纳米氧化铝的分散稳定性迅速下降,体系黏度下降到53 s 时,纳米粒子在1个月内完全沉降;当体系中加入二氧化硅后,体系黏度上升,纳米氧化铝的分散稳定性得到提高,但二氧化硅的含量过多时,体系黏度过大,不利于涂料的涂装和流平,故该体系选用加入5份二氧化硅比较合适。22 偶联剂对体系分散稳定性的影响偶联剂是一种具有特殊结构的有机硅化合物或钛酸酯化合物,在它的分子中,同时具有能与无机材料(如玻璃、各种无机粉体等)结合的反应性基团和与有机材料(如合成树脂等)结合的反应性基团。在涂料体系中添加纳米材料时,由于纳米材料具有比较高的表面能,不容易润湿分散,导致涂料分散体系的不稳定,用偶联剂对纳米氧化铝进行表面改性,从偶联剂反应机理和作用方式来分析,其容易在纳米氧化铝、聚氨酯丙烯酸酯(W-PUA)和溶剂水之间形成一种键合桥梁作用,从而有效地改善和提高纳米氧化铝的分散稳定性,由于偶联剂种类较多,本试验选用了几种涂料中常用的偶联剂,考察了其对纳米氧化铝在水性紫外光固化木器涂料中的分散稳定性,其结果见表2。从试验结果来看:在该水性光固化体系的分散中,硅烷偶联剂的作用效果要比钛酸酯偶联剂的效果好,尤其是加入K H -550后,体系黏度由53 s 提高到70s ,稳定性也由1个月提高到2个月,说明其能在纳米氧化铝、聚氨酯丙烯酸酯(W-PUA)和水之间形成一种桥梁作用,对提高体系稳定性作用最明显。另外两种钛酸酯偶联剂虽然也能适当提高体系的黏度,体系的稳定性有一些改善,但其作用不是很明显,故该体系以采用硅烷偶联剂KH-550效果更好。23 纳米氧化铝对涂膜性能的影响在上述试验的基础上,以K H -550为偶联剂,加入适当的消泡剂、分散剂、流平剂等助剂,改变纳米氧化铝的含量,考察其对水性紫外光固化涂料的耐磨性和硬度等性能的影响,试验结果见表3。试验结果表明,在水性紫外光固化木器涂料中加入纳米氧化铝能提高涂膜的耐磨性,不加纳米氧化铝体系的耐磨性为0022 g ,而加入3份纳米氧化铝后耐磨性提高到0016 g ,继续加入,耐磨性进一步提高。与此同时,比较重要的一点是涂膜的硬度也有较大的提高,不加纳米氧化铝体系的摆杆硬度为054,而加入3份纳米氧化铝后摆杆硬度提高到060。但是,纳米氧化铝的添加量也不是越多越好,试验中发现,当纳米氧化铝超过5份以后,体系的稳定性反而会降低。这是由于纳米粒子含量增加时,分散体系中纳米粒子相互碰撞的几率要大幅度提高,导致纳米粒子容易团聚,分散稳定性也快速下降。故纳米氧化铝以添加3～5份比较合适。24 涂膜的综合性能根据上述一系列试验结果,本试验选择表3配方3配制涂料,加入2％Darocur 1173和1％Irgacure 184的光引发剂,搅拌均匀后,按要求制备样板,经红外干燥后,用紫外光固化,根据紫外光固化木器涂料行业标准测试其各项理化性能,具体测试结果见表4。从表4结果来看,其各项理化性能均达到紫外光固化木器涂料行业标准,摆杆硬度为060,耐磨性为0016g ,其附着力(划格实验)和耐干热性均为1级,有很好的耐水、耐醇性。在工业中有一定的应用前景。3 结 语在紫外光固化水性木器涂料体系中加入纳米氧化铝,配制了一种具有较好耐磨性和硬度的纳米复合改性涂料。经过测试,其理化性能符合紫外光固化木器涂料行业标准,具有一定的应用前景。与传统的水性涂料相比,该涂料在具有水性涂料的环保等优点以外,由于其是固化型的,干燥速度快,涂膜各项理化性能更好,并可适应大型家具企业自动化快速生产的需要。