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木器涂料无溶剂水性聚氨酯-聚氧化丙烯二醇1000(PPG1000);聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG1000) 1,4-丁二醇 二羟甲基丙酸 DMEA 乙二胺

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木器涂料无溶剂水性聚氨酯


溶剂型木器涂料都含有大量的有机挥发性化合物,不仅影响生产和施工人员的身体健康,且污染环境和浪费资源,随着环境法规和相关政策对VOC使用和排放量的限制,环境友好型水性涂料是涂料行业的发展趋势之一。以水性聚氨酯、水性丙烯酸酯为代表的水性树脂在涂料中发挥越来越重要的作用,尤其水性聚氨酯涂料,不但安全环境友好,而且材料本身性能出众,具有涂料所需的高强度、耐磨损、低温成膜性以及柔韧性等特点。同时,其可以与丙烯酸树脂混拼并提高性能,因此在水性木器涂料领域受到广泛青睐。

木器涂料用水性聚氨酯要求具有良好的耐化学品性能、较高的硬度、良好的通透性和丰满度,根据水性聚氨酯结构以及性能的关系,木器涂料用水性聚氨酯硬段含量较高。较高的硬段比例会影响水性聚氨酯的室温以及低温成膜性能,因此在应用过程中,会加入一定比例的成膜助剂,改善成膜性能,而且传统的水性聚氨酯合成工艺中,都含有大量的有机溶剂NEPNMP,提高了配方的VOC含量。基于以上背景,本文分别采用IPDI为硬段,PPG1000PTMEG1000协同为软段,BDODMPA为小分子扩链剂,不含NEP等有机溶剂,制备出了一款环境友好的无溶剂水性聚氨酯乳液,且该水性聚氨酯具有很低的成膜温度,在应用过程中,可以显著降低成膜助剂用量,通过对此种水性聚氨酯进行应用性能跟踪,发现该乳液的综合应用性能优于市场主流产品。


1 实验部分

1.1 实验主要原料

异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)聚氧化丙烯二醇1000(PPG1000);聚四氢呋喃二醇(PTMEG1000)1,4-丁二醇(BDO);二羟甲基丙酸DMEA、乙二胺,工业级。

1.2 水性聚氨酯乳液合成

在装有搅拌器、温度计、回流冷凝管的四口烧瓶中,加入计量配比的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚环氧丙烷二醇(PPG1000)、聚四氢呋喃二醇(PTMEG1000)80 ℃反应1 h后,再加入BDODMPA、定量丙酮,稀释催化剂,75 ℃反应,达到理论—NCO值后,加入一定量的丙酮稀释预聚体系,待降低到合适的温度,加入DMEA中和,中和结束,然后将聚合物倒入分散杯中,在1 200 r/min的高速搅拌下加入去离子水,在高速分散下得水性聚氨酯分散液,后加入乙二胺后扩链,乳液制备完成。

1.3 水性木器涂料制备

基于水性聚氨酯乳液的水性木器涂料配方如表1所示。

水性木器涂料的制备工艺:将水性聚氨酯乳液、消泡剂1依次加入容器中,搅拌均匀,加入消光粉,8001 200 r/min快速分散15 min左右;将成膜助剂1、成膜助剂2、流变助剂、润湿流平剂、增稠剂、H2O混合均匀后,缓慢加入容器中,600800 r/min搅拌10 min;加入消泡剂2、防腐剂,搅拌5 min后过滤出料,静置。

1.4 分析与测试

1.4.1 乳液粒径

用动态光散射(DLS)测量聚氨酯分散体的粒径以及粒径分布。实验中采用马尔文公司的ZetasizerNano ZS90的粒度仪测定乳液的粒径及粒径分布,测试温度为25 ℃,激光器角度为90°,测试激光波长为633 nm

1.4.2 贮存稳定性测试

水性聚氨酯乳液贮存稳定性可通过高温加速试验来模拟测定。在干净密闭试样瓶中,倒入适量水性聚氨酯乳液,50 ℃烘箱放置1个月,取出后若乳液无分层及沉淀,并且应用性能没有损失,仍然满足使用要求,即可证明所合成的乳液能够稳定贮存。

1.4.3 乳液应用性能测试

按照国际规定标准以及实验室标准,在相同的试验条件下,与市场主流产品对比,对水性聚氨酯的干燥时间及硬度,力学性能、柔韧性、耐化学品性能进行测试。

2 结果与讨论

2.1 水性聚氨酯乳液性能(见表2)

如表2所示,本文中制备的水性聚氨酯乳液性能稳定,在固含量35%的情况下,乳液的粒径为55 nm,乳液黏度为200 mPa · s,黏度适中。此种水性聚氨酯的最低成膜温度为7 ℃,在不添加任何成膜助剂的条件下,可以实现常温成膜,在添加1%2%成膜助剂条件下,低温成膜性能优异,可以有效减少配漆过程中成膜助剂的使用比例。同时通过表2可以发现,在具备优异成膜性能的条件下,乳液成膜断裂强度为35 MPa100%模量为20 MPa、断裂伸长率为250%,涂膜力学性能优异;乳液应用配漆后,铅笔硬度为HB、抗冲击为100 kg · cm、柔韧性为0.5 mm,应用力学性能优异。

2.2 乳液贮存稳定性

乳液在50 ℃烘箱贮存1个月后,发现试样瓶中乳液无分层,不见沉淀,配漆后应用性能仍然满足使用要求,即乳液能够稳定贮存。

2.3 水性木器涂料性能

按照表1配方分别基于本乳液和市场同类型产品制备涂料,分别对比测试以下性能:

2.3.1 干燥时间及硬度

基材:玻璃板;干燥条件:25 ℃,RH50%;湿膜厚度:150 μm,光泽和硬度在室温养护7 d测试,结果见表3、图1

如表3、图1数据所示,本文中制备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优势,有利于缩短工期,节约时间成本。

2.3.2 化学品抗性

基材:黑胡桃木,喷涂两道,每道100 g/m2,**道喷涂完之后放50 ℃干燥1 h,然后用400#砂纸打磨,喷涂第二道,室温放置7 d,干燥条件:25 ℃,RH50%

测试方法:采用6层滤纸吸取液体测试表面抗性。

化学品抗性测试结果如表4所示。

注:5—**,0—最差。

与市场同类产品相比,此水性聚氨酯乳液在化学品抗性和通透度方面有很大优势,可应用于高性能要求的家具、家装等领域。

2.3.3 与丙烯酸混拼性能

丙烯酸乳液涂膜化学品抗性好、硬度高,但同时其所需成膜助剂较高,涂膜较脆,故在使用时可混拼部分水性聚氨酯乳液改善其性能。将此水性聚氨酯乳液与一款高硬度自交联丙烯酸乳液混拼,测试不同混拼比例下的性能,见表5

由表5可知,随着混拼聚氨酯比例越大,体系MFFT越低,柔韧性、抗冲击和丰满度提高,化学品抗性轻微下降,当聚氨酯与丙烯酸乳液比例为1/2时,性能**。

3 结 语

IPDI为硬段,PPG1000PTMEG1000为软段,BDODMPA为小分子扩链剂,在乳液的合成制备过程中,除了一定量的丙酮稀释预聚体系外,无任何其他溶剂,成功制备出稳定的无溶剂水性聚氨酯乳液。

对此种乳液的涂层应用性能进行跟踪,结论如下:

(1)和市场主流产品相比,涂膜的干燥速度和硬度建立均具有优势,有利于缩短工期,节约时间成本。

(2)此种水性聚氨酯乳液含有任何溶剂,并且具有良好的成膜性能,可以混拼其他乳液,有效降低成膜助剂(溶剂)用量,降低配方体系VOC

(3)断裂强度和断裂伸长率较高,涂膜有优异的伸缩性,可以与丙烯酸乳液混拼,改善柔韧性。

(4)基于此种无溶剂水性聚氨酯的木器涂料,涂层平整光滑,通透性、丰满度、硬度高,涂膜的耐水性、耐化学品性能较优,综合性能较好

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