水性环氧木器透明底漆的研制

data-full-width-responsive="true"> 0 前言木器涂料主要应用于家具、地板等领域，不仅有装饰美化作用，而且对木材起着很好的保护作用，目前使用的木器涂料大多是溶剂型，这些涂料含有挥发性有机化合物，对生产和施工人员的身体健康造成影响，并且污染大气环境。随着经济发展，人民生活水平不断提高，社会环保意识日益加强，许多国家相继颁布了限制挥发性有机化合物含量的环保法规，严格限制有机溶剂的排放，涂料类型慢慢向低污染的绿色环保型转变，一些新型涂料被开发出来并得到家具企业的青睐，尤其是水性木器涂料。其以水为分散介质，无游离TDI，具有无毒、无环境污染、对人体无害的特点，与溶剂型木器涂料相比，不含大量挥发性有机化合物，在环保上具有绝对优势而备受关注，水性木器涂料成为涂料发展的重要方向和研究热点之一。水性木器涂料常用树脂主要有丙烯酸乳液和水性聚氨酯，不论是单组分还是双组分水性木器涂料，由于固含量低，含有亲水基团，导致施工道数多，涂膜致密性及耐水性较差，尤其是涂装效果差，丰满度不佳，不符合国人对涂料涂膜效果的审美观，不能满足高装饰性家具的涂装要求。而且其施工时间长，对天气的依赖性非常大，涂膜品质因受人工、环境的影响不好控制，特别是在施工过程中存在许多难以解决的问题，不同类型木质和木料中的植物油脂的种类纷繁复杂，常常造成渗色、附着力变差等问题，为施工带来了不小的困难，影响涂膜性能充分发挥。施工性和物理化学性能相对比溶剂型涂料较差，不能满足家具企业的要求，限制了其在工厂化涂装中的应用，这些问题都制约了水性木器涂料的迅速发展及市场占有率的提升。因此开发施工宽容性好、性能优异的水性木器涂料成为当今市场急需解决的问题。环氧涂料具有优异的基材附着力，耐溶剂、耐化学品性能优良，广泛应用于工业涂装。本试验制备的水性环氧木器涂料可在潮湿环境中固化，并具有很高的交联密度，形成涂膜相对致密，可阻止导管中未蒸发的水和油类物质向上渗透到木材表面，这是通常的水性丙烯酸涂料和水性聚氨酯涂料无法相比的，从而解决了水性木器涂料在涂装过程中遇到的难题。该涂料不采用乳化剂，非固化中和成盐实现水溶，彻底解决水性涂料的水敏感性问题，保证其性能优异，它以溶剂型涂料状态存在，也不存在一般水性涂料常有的冻融稳定性和贮存稳定性差的问题，而且该涂料用水稀释成为水性涂料，采用有机溶剂稀释则可作为溶剂型涂料使用，具有使用灵活性。1 试验部分11 试验原材料环氧树脂E44、聚酰胺、乙醇、丙二醇甲醚、填料，工业品；助剂，毕克化学；改性剂，自制。12 底漆配方(见表1)13 涂料制备131 组分A的制备首先将环氧树脂E44和丙二醇甲醚混合搅拌均匀，然后在搅拌下依次加入助剂及粉料混合均匀，分散达到细度，用乙醇调节黏度，过滤包装，为组分A。132 组分B的制备将聚酰胺与改性剂混合均匀，过滤包装即为组分B。133 施工配比使用时按m(A) : m(B) : m(水)=4 : 1 : (3～4)配制。先将组分A与组分B充分搅拌均匀，然后再加水搅匀即可施工，适用期为4 h；低温及高湿条件下，可使用有机溶剂稀释而成为溶剂型涂料，照样可施工。14 性能结果(见表2)由表2可见，本试验制备的木器底漆性能明显好于一般水性木器底漆，与聚氨酯木器底漆相近。2 结果与讨论21 试验机理良好的乳化是制备性能优良的水性环氧涂料的关键，自制的有机改性剂中带有强烈的吸电子基团，此时与其相邻的碳原子上的氢原子易变成氢质子而游离出去，这样在水的存在下，这种化合物会显示出微弱的酸性，可与聚酰胺固化剂中胺基起中和反应，从而增加聚酰胺固化剂的亲水性，使聚酰胺成为水可稀释的固化剂，具有良好的水分散性，向其中加入环氧树脂可形成稳定均匀的涂料组合物乳液，混合体系流变性能、凝胶时间、施工期限、涂膜干燥时间均适宜。当涂层施工完毕后，随着体系中水分的不断蒸发，乳液粒子相互靠近接触，形成紧密堆积的结构，粒子聚结过程开始，随着乳液粒子相互渗透，固化剂开始和环氧树脂发生交联固化反应，最后随着水分的进一步蒸发，环氧树脂和固化剂完全反应，改性剂也会逐渐挥发，最终粒子固化成三维网状大分子结构从而成为均相、完整的涂膜。本试验由于环氧树脂组分不需要进行亲水改性，即可保证涂膜具有优良的耐水性及耐化学品性，因而涂膜性能明显要好于一般水性涂料。22 环氧树脂及固化剂的选择环氧树脂的类型对于水性环氧涂料的性能影响很大，双酚A型环氧树脂分子中含有极性高而不易水解的羟基和醚基，使其对基材有良好的附着力，涂料固化时体积收缩率低，耐化学品性能良好，并且其具有刚性的苯环和醚键交替排布的结构，赋予涂料较好的机械性能。而对于水性环氧涂料，由于涂料的成膜依赖于乳液粒子的聚集变形，因此玻璃化温度低的环氧树脂更易于聚集成膜。本试验选择相对分子质量较小的双酚A型液体环氧树脂E44，其与固化剂交联密度高，致密性好，胶化时间较长，有利于涂装施工。聚酰胺是由二聚脂肪酸和极性小分子胺缩聚而成，在常温条件下提供优异的固化性能和良好的使用期，它与环氧树脂混溶性极佳，其分子结构中具有亲油部分和亲水部分，易得到稳定性好的乳液，具有较好的润湿性和附着力，固化产物柔韧性好，本试验选用聚酰胺作为固化剂。随着固化剂用量的提高，涂膜交联密度及固化速度提高，实干时间缩短，打磨性和柔韧性提高，但聚酰胺本身具有一定的水溶性，若固化剂用量过多，会使未反应的胺游离在涂膜中，造成涂膜耐水性下降。试验证明m(环氧树脂)∶m(聚酰胺)为100∶60较适宜。23 改性剂用量的影响按聚酰胺固化剂量的不同质量分数加入改性剂，配成固化剂，各取20 g，然后加入一定量的丙二醇甲醚和100 g蒸馏水，缓慢搅拌均匀使之形成水分散体，测量其黏度，结果如表3所示。加入改性剂后，固化剂能均匀稳定地分散在水中，形成稳定乳液而不分层。由表3可见，随着改性剂用量增加，水分散体粒径变小，黏度慢慢下降，这是因改性剂加入量越多，乳液的亲水基团越多，乳液粒子就越细小，黏度相应就越低，则其与环氧树脂的相容性越好，有利于固化剂分子扩散到环氧树脂分散相粒子内部，固化反应进行就越完全，涂膜交联密度更高，形成的涂膜越致密均一，涂膜的物理化学性能越好，同时随着粒子粒径降低，在成膜过程中出现毛细管作用，有利于两组分凝结。从表3中可知，改性剂加入量大于30%的乳液黏度变化已很小，说明改性剂加入量控制在20%～30%为好，本试验选择其用量为聚酰胺量的20%。试验中发现，改性剂是影响涂料组合物乳液使用期的主要因素，改性剂的相对分子质量越小，涂料适用期越短，制备合适的改性剂是涂料水性化的重要因素。24 溶剂的选择加入改性剂后聚酰胺乳液由于粒子内部的亲水基团不断吸水，致使内外相体积比增大，从而使乳液黏度增大，完全用水稀释来制作涂料是不可能的，应适当加入溶剂增进固化剂对环氧树脂的乳化作用，帮助体系流动。由于水性环氧木器底漆是乳液型涂料，在体系混合后，固化剂分子首先和环氧树脂分散相粒子表面接触发生固化反应，随着固化反应进行，环氧树脂相对分子质量和玻璃化温度逐渐提高，乳液粒子逐渐变硬，粒子之间也很难相互作用而凝结。这使得固化剂分子向环氧树脂粒子内部扩散速度变慢，意味着环氧树脂分散相粒子内部进行的固化反应比表面少，内部交联密度就低。这时为了软化粒子表面硬度，提高固化剂分子扩散速度，也需要加入助溶剂进行调节，有效降低树脂黏度和玻璃化温度，提高树脂与固化剂的相容性，提高固化剂分子对环氧树脂的渗透性、扩散性，促使树脂固化完全，有利于固化凝结成膜，从而得到均匀、完全固化的涂膜，改善涂膜性能。本试验选择丙二醇甲醚及乙醇配合使用，由于乙醇属于可再生的无毒溶剂，溶剂体系不但毒性低，对环境不会产生污染，而且有适中的溶解力和挥发速度，改善了涂料体系与水的相容性，保证乳液体系的稳定性，延长了体系适用期，调节了涂料体系的黏度，降低了涂料与基材的界面张力，提高了涂料的展布性，快速润湿底材，有助于改善涂料的流动性。在成膜过程中保持开放结构，使水得以完全挥发，促进密实涂膜的形成，而在成膜后又全部易于挥发，赋予最终涂膜良好外观而不影响涂膜性能。25 价格及施工工艺虽然水性涂料有环保、节能、施工方便等优点，但因水性涂料可选择的材料少、材料成本及管理成本偏高，造成其性价比低及受涂装效果和涂装工艺等综合因素的影响大。更由于水性木器涂料的涂装过程对外部环境、涂装技术要求相对苛刻，干燥受温度、湿度的影响大，如果涂装环境的温度及湿度变化太大及长期在不稳定的环境下，将难以保证涂膜性能的稳定及获得良好涂饰质量，造成不良品增加，生产效率无法掌控。将严重影响家具企业批量生产的速度，造成水性家具涂料的推广始终举步维艰，在国内市场占有率较低的局面，而使溶剂型涂料以其性能超群和施工优势在家具涂装领域占有重要地位。水性木器涂料要摆脱这种状况，必须在涂装工艺方面进行革新，要像溶剂型涂料一样实行连续化和自动化生产，一定要增加烘干室和温湿调控设备，增加投资对涂装生产线进行改造，才能提高干燥速度和保证干燥质量，因此会造成使用成本明显高于溶剂型涂料。即便如此，为了达到较好丰满度及涂膜厚度，也必须增加涂装次数，造成工期延长，因而生产成本高，生产效率低。在家具制造业竞争十分激烈的今天，说服家具企业拿出更多资金为环保买单是十分困难的，这制约了水性家具涂料的应用和推广。本试验制备的水性环氧木器透明底漆选用普通环氧树脂和聚酰胺为原料，价格与溶剂型聚氨酯木器底漆相近，不会增加成本。由于使用灵活性，工厂不需增加设备及改变工艺，符合当前企业的生产现状和工艺情况。在低温及湿度大时，可使用有机溶剂稀释，成为溶剂型涂料，其余时候则用水稀释，成为水性涂料，解决家具企业在生产线上使用水性涂料成本高、生产效率低的难题。3 结语本试验制备的水性环氧木器透明底漆不但安全无毒、环境友好，性能明显好于一般水性木器涂料，可跟聚氨酯木器底漆媲美，而且具有使用上的灵活性，既可用水稀释成为水性涂料，在低温及高湿条件下，又可使用有机溶剂稀释作为溶剂型涂料，家具企业不需改变目前生产工艺即可使用。解决了家具企业的施工难题，大大拓宽了水性木器涂料的应用范围，可取代溶剂型木器底漆，满足家具涂装的要求，最大限度减少有机溶剂排放，满足当前环境保护的要求。作为一种新型木器涂料，具有良好的应用前景。