木器涂料無溶劑水性聚氨酯

溶劑型木器涂料都含有大量的有機(jī)揮發(fā)性化合物，不僅影響生產(chǎn)和施工人員的身體健康，且污染環(huán)境和浪費資源，隨著環(huán)境法規(guī)和相關(guān)政策對VOC使用和排放量的限制，環(huán)境友好型水性涂料是涂料行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。以水性聚氨酯、水性丙烯酸酯為代表的水性樹脂在涂料中發(fā)揮越來越重要的作用，尤其水性聚氨酯涂料，不但安全環(huán)境友好，而且材料本身性能出眾，具有涂料所需的高強(qiáng)度、耐磨損、低溫成膜性以及柔韌性等特點。同時，其可以與丙烯酸樹脂混拼并提高性能，因此在水性木器涂料領(lǐng)域受到廣泛青睞。

木器涂料用水性聚氨酯要求具有良好的耐化學(xué)品性能、較高的硬度、良好的通透性和豐滿度，根據(jù)水性聚氨酯結(jié)構(gòu)以及性能的關(guān)系，木器涂料用水性聚氨酯硬段含量較高。較高的硬段比例會影響水性聚氨酯的室溫以及低溫成膜性能，因此在應(yīng)用過程中，會加入一定比例的成膜助劑，改善成膜性能，而且傳統(tǒng)的水性聚氨酯合成工藝中，都含有大量的有機(jī)溶劑NEP、NMP，提高了配方的VOC含量。基于以上背景，本文分別采用IPDI為硬段，PPG1000和PTMEG1000協(xié)同為軟段，BDO、DMPA為小分子擴(kuò)鏈劑，不含NEP等有機(jī)溶劑，制備出了一款環(huán)境友好的無溶劑水性聚氨酯乳液，且該水性聚氨酯具有很低的成膜溫度，在應(yīng)用過程中，可以顯著降低成膜助劑用量，通過對此種水性聚氨酯進(jìn)行應(yīng)用性能跟蹤，發(fā)現(xiàn)該乳液的綜合應(yīng)用性能優(yōu)于市場主流產(chǎn)品。

1　實驗部分

1.1　實驗主要原料

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)；聚氧化丙烯二醇1000(PPG1000)；聚四氫呋喃醚二醇(PTMEG1000)、1,4-丁二醇(BDO)；二羥甲基丙酸；DMEA、乙二胺，工業(yè)級。

1.2　水性聚氨酯乳液合成

在裝有攪拌器、溫度計、回流冷凝管的四口燒瓶中，加入計量配比的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、聚環(huán)氧丙烷醚二醇(PPG1000)、聚四氫呋喃醚二醇(PTMEG1000)，80 ℃反應(yīng)1 h后，再加入BDO、DMPA、定量丙酮，稀釋催化劑，75 ℃反應(yīng)，達(dá)到理論—NCO值后，加入一定量的丙酮稀釋預(yù)聚體系，待降低到合適的溫度，加入DMEA中和，中和結(jié)束，然后將聚合物倒入分散杯中，在1 200 r/min的高速攪拌下加入去離子水，在高速分散下得水性聚氨酯分散液，后加入乙二胺后擴(kuò)鏈，乳液制備完成。

1.3　水性木器涂料制備

基于水性聚氨酯乳液的水性木器涂料配方如表1所示。

水性木器涂料的制備工藝：將水性聚氨酯乳液、消泡劑1依次加入容器中，攪拌均勻，加入消光粉，800～1 200 r/min快速分散15 min左右；將成膜助劑1、成膜助劑2、流變助劑、潤濕流平劑、增稠劑、H2O混合均勻后，緩慢加入容器中，600～800 r/min攪拌10 min；加入消泡劑2、防腐劑，攪拌5 min后過濾出料，靜置。

1.4　分析與測試

1.4.1　乳液粒徑

用動態(tài)光散射(DLS)測量聚氨酯分散體的粒徑以及粒徑分布。實驗中采用馬爾文公司的ZetasizerNano ZS90的粒度儀測定乳液的粒徑及粒徑分布，測試溫度為25 ℃，激光器角度為90°，測試激光波長為633 nm。

1.4.2　貯存穩(wěn)定性測試

水性聚氨酯乳液貯存穩(wěn)定性可通過高溫加速試驗來模擬測定。在干凈密閉試樣瓶中，倒入適量水性聚氨酯乳液，50 ℃烘箱放置1個月，取出后若乳液無分層及沉淀，并且應(yīng)用性能沒有損失，仍然滿足使用要求，即可證明所合成的乳液能夠穩(wěn)定貯存。

1.4.3　乳液應(yīng)用性能測試

按照國際規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)以及實驗室標(biāo)準(zhǔn)，在相同的試驗條件下，與市場主流產(chǎn)品對比，對水性聚氨酯的干燥時間及硬度，力學(xué)性能、柔韌性、耐化學(xué)品性能進(jìn)行測試。

2　結(jié)果與討論

2.1　水性聚氨酯乳液性能(見表2)

如表2所示，本文中制備的水性聚氨酯乳液性能穩(wěn)定，在固含量35%的情況下，乳液的粒徑為55 nm，乳液黏度為200 mPa · s，黏度適中。此種水性聚氨酯的最低成膜溫度為7 ℃，在不添加任何成膜助劑的條件下，可以實現(xiàn)常溫成膜，在添加1%～2%成膜助劑條件下，低溫成膜性能優(yōu)異，可以有效減少配漆過程中成膜助劑的使用比例。同時通過表2可以發(fā)現(xiàn)，在具備優(yōu)異成膜性能的條件下，乳液成膜斷裂強(qiáng)度為35 MPa、100%模量為20 MPa、斷裂伸長率為250%，涂膜力學(xué)性能優(yōu)異；乳液應(yīng)用配漆后，鉛筆硬度為HB、抗沖擊為100 kg · cm、柔韌性為0.5 mm，應(yīng)用力學(xué)性能優(yōu)異。

2.2　乳液貯存穩(wěn)定性

乳液在50 ℃烘箱貯存1個月后，發(fā)現(xiàn)試樣瓶中乳液無分層，不見沉淀，配漆后應(yīng)用性能仍然滿足使用要求，即乳液能夠穩(wěn)定貯存。

2.3　水性木器涂料性能

按照表1配方分別基于本乳液和市場同類型產(chǎn)品制備涂料，分別對比測試以下性能：

2.3.1　干燥時間及硬度

基材：玻璃板；干燥條件：25 ℃，RH50%；濕膜厚度：150 μm，光澤和硬度在室溫養(yǎng)護(hù)7 d測試，結(jié)果見表3、圖1。

如表3、圖1數(shù)據(jù)所示，本文中制備的水性聚氨酯配成涂料后，涂膜硬度高，耐磨性好，且在干燥速度和硬度建立均具有優(yōu)勢，有利于縮短工期，節(jié)約時間成本。

2.3.2　化學(xué)品抗性

基材：黑胡桃木，噴涂兩道，每道100 g/m2，**道噴涂完之后放50 ℃干燥1 h，然后用400#砂紙打磨，噴涂第二道，室溫放置7 d，干燥條件：25 ℃，RH50%。

測試方法：采用6層濾紙吸取液體測試表面抗性。

化學(xué)品抗性測試結(jié)果如表4所示。

注：5—**，0—最差。

與市場同類產(chǎn)品相比，此水性聚氨酯乳液在化學(xué)品抗性和通透度方面有很大優(yōu)勢，可應(yīng)用于高性能要求的家具、家裝等領(lǐng)域。

2.3.3　與丙烯酸混拼性能

丙烯酸乳液涂膜化學(xué)品抗性好、硬度高，但同時其所需成膜助劑較高，涂膜較脆，故在使用時可混拼部分水性聚氨酯乳液改善其性能。將此水性聚氨酯乳液與一款高硬度自交聯(lián)丙烯酸乳液混拼，測試不同混拼比例下的性能，見表5。

由表5可知，隨著混拼聚氨酯比例越大，體系MFFT越低，柔韌性、抗沖擊和豐滿度提高，化學(xué)品抗性輕微下降，當(dāng)聚氨酯與丙烯酸乳液比例為1/2時，性能**。

3　結(jié)　語

以IPDI為硬段，PPG1000和PTMEG1000為軟段，BDO、DMPA為小分子擴(kuò)鏈劑，在乳液的合成制備過程中，除了一定量的丙酮稀釋預(yù)聚體系外，無任何其他溶劑，成功制備出穩(wěn)定的無溶劑水性聚氨酯乳液。

對此種乳液的涂層應(yīng)用性能進(jìn)行跟蹤，結(jié)論如下：

(1)和市場主流產(chǎn)品相比，涂膜的干燥速度和硬度建立均具有優(yōu)勢，有利于縮短工期，節(jié)約時間成本。

(2)此種水性聚氨酯乳液不含有任何溶劑，并且具有良好的成膜性能，可以混拼其他乳液，有效降低成膜助劑(溶劑)用量，降低配方體系VOC。

(3)斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率較高，涂膜有優(yōu)異的伸縮性，可以與丙烯酸乳液混拼，改善柔韌性。

(4)基于此種無溶劑水性聚氨酯的木器涂料，涂層平整光滑，通透性、豐滿度、硬度高，涂膜的耐水性、耐化學(xué)品性能較優(yōu)，綜合性能較好