高性能水性丙烯酸乳液设计 及其在水性工业木器漆中的应用

点击数：692 发布时间：2020/5/9 来源：

近年来，相关的政策法规对VOC的限制也更加近严格，一些地方政府相继出台了一系列的政策和措施，对溶剂型涂料的使用做出了更为严格的限制1，因此木器漆特别是工业木器漆水性化的呼声愈来愈高。目前常用的水性木器漆的技术包括水性丙烯酸、聚氨酯改性丙烯酸、水性聚氨酯、水性UV、水性醇酸等。而水性丙烯酸及其改性乳液，本着其在性价比方面的优势，得到了人们更多的关注。
但是，传统的水性丙烯酸溶液，常常给人们这样的印象：干燥时间长，漆膜硬度建立慢，和溶剂体系在抗堆叠方面相差甚远。但是木器漆特别是工业木器漆通常都需要出色的硬度和抗堆叠性能，以满足工厂流水线施工操作的要求。如果单纯提高丙烯酸乳液的玻璃化转变温度（Tg）来获得较硬的漆膜表面，这样往往会导致配方中需要加入更高量的成膜助剂。由于水性木器漆面临越来越严格的可挥发性有机会（VOC）的限量要求；更重要的是，除了配方成本增加之外，大量的成膜助剂往往会严重影响漆膜的早期硬度建立以及抗堆叠性能，而早期的性能要求对水性工业木器漆尤为重要。
陶氏化学涂料材料业务部门，在设计和研发产品之初，就充分考虑了水性工业木器漆对早期抗性的需求，通过聚合物设计，乳液颗粒形貌设计，并且优化软/硬单体的比例，大大降低配方中成膜助剂的需用量，在保证漆膜最终硬度的同时，在成膜之初就可以快速实现硬度的建立。另外，聚合物单体中引入可聚合的自交联单体，随着成膜过程的进行，这些功能性单体发生交联并参与成膜，进一步提高漆膜的早期硬度并赋予漆膜更好的早期抗堆叠性。
除此之外，不同的应用，施工和性能要求也千差万别。比如底漆对打磨性和快干要求更高；面漆对漆膜的耐性和表观要求更高；取代硝化棉就要求漆膜在多道施工之后仍然有很好的透明度；取代溶剂型双组分聚氨酯，除了耐性之外，漆膜表观和施工性是对水性体系最大的考验。因此很难用单一产品去满足这些不同应用和施工的要求。
陶氏化学针对不同的水性工业木器漆应用，如欧式简约家具、简单美式仿古家具、儿童家具、户外木器漆等，分别“定制”了一系列不同特性的丙烯酸及其改性乳液。我们赋予这产品不同的“个性”：比如ROSHIELD?500，具有很好的漆膜透明度，适合多道涂装如美式仿古家具；ROSHIELD?560，与颜填料的相容性和包裹性更好，满足白色哑光面漆对耐污渍等性能的要求。除了上述这些“个性鲜明”的特点之外，无一例外，这些产品还具备了水性工业木器漆必需的一些“共性”，比如早期硬度建立，抗堆叠性等。
本文将从漆膜透明度、耐污渍以及单宁酸封闭性这三个方面，来详细介绍陶氏化学高性能丙烯酸乳液技术，是如何满足上述性能要求，以及如何更好地平衡漆膜的物理性能和施工性能（早期硬度建立、可打磨时间、早期抗堆叠性）。
实验部分
漆膜透明度
漆膜透明度主要采用目测的方法，在同一种木材上喷涂4道，每道漆膜厚度保持一样，漆膜最终光泽20~30@60℃，观察漆膜在基材上的通透性。
白漆耐污渍
耐咖啡测试在白色哑光面漆（20~30@60℃）上，参照IKEA R4关于耐咖啡的测试方法。耐污渍测试参考GB/T 33394-2016《儿童房装饰用水性木器涂料》中有关耐污渍的测试方法。
单宁酸封闭性
实色白漆在不同木材上喷涂2道后，观察漆膜颜色变化以及有无单宁酸渗出。养护条件：漆膜高温（50℃~80℃）养护7天后，放入湿度箱（>85%湿度环境）7天，观察漆膜表面有无变色情况。
结果与讨论
漆膜透明度

提高漆膜透明度，特别是多道涂装的哑光体系，一直以来是大家关注的热点。影响水性漆膜透明度的因素有很多，比如乳液的粒径以及粒径分布。因此很多原材料供应商在聚合物粒径上面做了很多的研究，如采用PUD技术。但是这类产品有几个缺点：第一，原材料成本比较高，相对于单组份丙烯酸体系，PUD分散体的成本普遍偏高；第二，固含低，为了满足小粒径下的低粘度，这类产品的固含普遍偏低，一般不会超过40%，导致水性漆单位固含的成本更高；第三，加入消光粉之后，干膜的透明度下降明显。
因此，陶氏化学在研发和设计高透明度产品时，一方面考虑了产品的粒径和粒径分布（见图1），在保证乳液本身通透性的同时，通过乳液及形貌设计，进一步提高聚合物颗粒和消光粉的协同作用。如前言所述，我们针对多道涂装施工专门设计了ROSHIELD?500乳液。

这样的设计有几个方面的优势：

1、消光粉采用相同添加量时，ROSHIELD?500乳液的消光效率更高（见表格1）。喷涂三道该产品透明底漆后，漆膜起始的光泽在72左右，然后喷涂一道哑光面漆（加入1.5%的TS-100），60℃光泽下降了50。相对于市场同类产品，面漆加入相同量的消光粉，光泽仅仅下降了不到30。

2、ROSHIELD?500的聚合物设计，可以对消光粉起到一定的润湿、分散效果，得到的漆膜更加的致密均匀，耐水性能更好。
3、相对于其他丙烯酸乳液，若需达到相同的光泽， ROSHIELD?500所需添加的消光粉更少，配方成本可以进一步降低。
因此，即便在较低的光泽下（23@60℃）， ROSHIELD?500喷涂四道之后，透明度的表现更为优异（图2）。

白漆耐污渍

消费者在选择家具特别是儿童家具时，除了环保、健康、安全的需求之外，往往还对漆膜的耐污渍、耐涂鸦性能有更进一步的要求。但是，相对于透明清漆，白漆特别是亚光白漆的耐污渍性能更为挑战和苛刻。主要的原因有两个：第一，色漆里面含有大量的颜填料，和清漆漆膜相比，色漆漆膜的致密性有了一定程度的下降；第二，颜填料之间更加容易团聚在一起，这些团聚起来的颜填料进一步加剧了漆膜的不均匀性。因此，当污渍（如咖啡、茶、红酒、水彩笔等）接触到漆膜之后，就很容易渗透到漆膜内部，使得色漆尤其是白漆留下难以擦拭的痕迹。
ROSHIELD?560乳液是陶氏化学专门针对色漆底漆开发的单组份丙烯酸乳液。针对上述影响色漆耐污渍的两个主要原因，我们分别作了设计和优化。一方面，我们对软硬单体的配比做了详尽的研究，更好地平衡了成膜性和漆膜的硬度、干燥速度；另一方面，选用疏水性单体，提高漆膜表面的耐水性能，让水性的污渍很难渗透到漆膜内部；此外，我们在乳液聚合的时候也特别引入了功能性单体，该单体可以提高聚合物颗粒与颜填料之间的润湿分散性能，减少颜填料团聚的程度。
基于上述成膜性、疏水性以及漆膜均一性的提高， ROSHIELD?560在耐污渍方面的表现非常优异。除了常规的耐咖啡（图3）、耐茶、耐红酒之外，也可同时满足标准GB/T33394-2016《儿童房装饰用水性木器涂料》中耐涂鸦的要求（图4）。

单宁酸封闭性
很多木材如松木、橡木、相思木等，含有大量的单宁酸和油脂2,3。这些化学物质渗出之后，会严重影响漆膜的表观和性能，甚至会造成漆膜剥落。因此单宁酸封闭对于木器漆一直是巨大挑战，特别是单组份水性漆尤为如此。单宁酸是一种可溶于水的有色物质，因此木材在涂刷水性涂料之后，它的溶出是在所难免的，这是难点之一。难点之二：作为封闭底漆，不仅要具有杰出的封闭性能，打磨性及早期抗黏连也是必需的性能。难点之三：底漆的涂装不仅要与基材有良好的附着力，对于面漆同样需要兼容性及优良的层间附着力。
目前市面上的封闭底漆有几大类：1、双组分PU体系，其封闭性能确实优于一般的单组分丙烯酸体系，但其在实际应用中的施工性以及成本相对较难被客户接受；2、醇溶性体系，封闭性不错但是不能满足当前环保要求；3、水性阳离子体系，在某些基材上具有较好的封闭性能，但配方的宽容性以及和面漆的层间附着力是致命的缺陷。
EXP-6037是陶氏化学专门针对封闭底漆开发的阴离子单组份丙烯酸乳液。针对上述封闭性能以及底漆所需的物理特性，我们对乳液单体的选择及聚合物的形貌进行了特殊的优化和设计，利用致密的漆膜强度阻止单宁酸的渗出并提高木器漆所需的硬度、打磨性。EXP-6037无论在清漆、实色漆方面都具有良好的封闭新能，并且具有杰出的基材附着力和面漆兼容特性（图5和6）。
 

结论
本文针对工业木器漆几个不同的应用和需求，针对该应用领域详细介绍了陶氏化学在设计产品时的思路和方法，使得单组份水性丙烯酸产品在漆膜透明度、白漆耐污渍以及单宁封闭性方面，完全可以满足工业木器漆的施工和性能要求。