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国内客户对水性木器漆的主要性能要求有两大项：一是快干性，一是硬度！ 如何让产品达到这两方面的要求呢？根据大量的水性木器漆性能研究结果，主要的技术路线是：利用水性聚氨酯分散体的柔韧性搭配一般丙烯酸乳液的硬脆性来调节平衡，然后再用合适的助成膜助剂、成膜助剂来获得较快速的干燥性能。 快干是最常听到的客户对水性涂料的要求之一，通常家具厂会用油性漆的性能来作参考，要求的是常温2-3个小时内底漆可以打磨，走线的则一般是40-50℃下干燥40分钟到下一道打磨工序，面漆8-12小时可以包装。 水性涂料由于其分子间极强的氢键作用，导致水的蒸发热高，水的蒸发速度要比常见的涂料溶剂慢十几倍甚至几十倍。而且，由于空气中水蒸汽的含量随季节变化大，水的蒸发速度也会随之发生变化。如果空气相对湿度达到100%时，水的蒸发会停止，而非水溶剂则不受此因素影响。所以，一般水性涂料会有施工温湿度的要求（温度>5℃，湿度：30-70%RH），温度太低或湿度太高，对水性漆来说，是不利于施工的。所以，没有烘烤设备的家具厂，在梅雨季节基本是没有办法使用水性漆的。这也是水性漆的主要缺点之一。当然也有一些产品是例外，本人就曾经开发过一款在15℃*96%RH环境下60-80分钟可干燥打磨的水性清底漆。 至于漆膜硬度，不是强调单纯的硬，对于底漆来说，是需要硬中带脆的，以利于打磨；而对面漆则往往是要求硬中偏韧，就是韧而不脆，强调耐磨性。所以树脂方面需要考虑的因素有：乳液粒径的大小，玻璃化温度，固含，最低成膜温度等重要指标。 1、树脂的选择：像所有涂料一样，水性涂料的性能也是80%以上是由配方中选用的树脂决定的，助剂只是起辅助增强作用。绝大多数水性成膜树脂为乳液体系，成膜机理与溶剂型涂料不同。溶剂型树脂与溶剂形成单相体系，随着溶剂的蒸发，体系粘度增大，直至（增链）成为固体。从体系的机械性能来讲，这是一个连续的过程。而水性乳液成膜则是一个液-固双相体系，随着水的蒸发，体系粘度起始时变化不大，但当乳液颗粒的体积占总系统体积达到一临界值时，系统突然从液态变为固态，是一个不连续的过程，这一临界点就是所谓的玻璃化温度，是水性涂料表干的开始。部分水性涂料的表干时间要比某些溶剂型涂料还要短。从表干到漆膜性能的全部体现，取决于系统中残留水分的蒸发速度，乳液颗粒中高分子的相互渗透，及体系中其它有机小分子的挥发速度。这个过程一般是7天，一般3天内水性漆性能可达到最高值的80%左右。为了实现系统的优化，制作水性漆配方时，应从以下几个方面对树脂进行选择： 1） 固含量：乳液的固含量越高，正常情况下距离表干临界值就越近，干燥速度就越快。但固含量过高，也会带来一系列的不利因素。固含量偏高的乳液，由于树脂颗粒间距小，通常其流变性能较差，对增稠剂也不敏感，导致涂料的喷涂或粉刷性能调节的困难增大，表干过快也会使涂刷间隔缩短，造成橘皮等常见施工问题。 2） 乳液颗粒大小：同样固含量下，乳液的颗粒越小，颗粒之间的间距就越小，表干临界值就越低，干燥速度就越快。乳液颗粒小，还会带来成膜性好，光泽度高等其他方面的优势。但乳液颗粒越小，也意味着对底材的渗透性越强，入木孔性能越好，有可能造成漆膜丰满度（或填充性）较差。 3）树脂玻璃化转变温度（Tg）：一般而言，树脂的Tg越高，最终成膜的性能就越好，硬度越高。但对于干燥时间来讲，则是相反。Tg高的树脂，通常需要在配方中加入较多的成膜助剂，以利于高分子在乳液颗粒间的相互渗透，促进成膜质量。而这些成膜助剂，需要足够的时间从体系中挥发，实际上会延长从表干到全干的时间。所以，从这Tg这个因素来讲，干燥时间与成膜性能往往是相悖的。另外，使用高Tg树脂，也需要考虑到配方VOC能否达标的问题。 4）乳液颗粒的相结构：取决于乳液的制备工艺，同样的单体组成可能会形成不同的颗粒相结构。核壳结构就是其中的例子之一。虽然理论上100%核壳结构是不可能的，但如果乳胶颗粒的壳Tg低，核Tg高，配方体系成膜助剂需求就少些，表干速度也较快，但由于成膜后表面连续相是低Tg的树脂，漆膜的的硬度则不会硬。如果乳胶颗粒的壳Tg高，则成膜助剂就多，膜的表干速度会较前者慢，但干燥后的硬度会比前者高。 5） 表面活性剂的种类和用量影响：常见的乳液在制造工艺中均采用一定的表面活性剂。表面活性剂对乳液颗粒有隔离和保护的作用，在颗粒相互融合的成膜过程中，特别是在初始阶段，即表干时有很大影响。而且，这些独特的化学品，在水和油相中均有一定的溶解度，溶在树脂中的部分其实会起到成膜助剂的作用。不同的表面活性剂，由于其在树脂中的溶解度不同，其成膜剂的作用也会不同，但用量过大，往往会导致涂料耐水性不佳。 2.、树脂的固化机理： 水性树脂成膜固化一般有几个层次上的机理。首先，乳液颗粒的聚集和融合，是所有乳液表干都必然经历的机理。其次，水和其他成膜助剂的挥发，使热塑性树脂本身的基本性能得以充分体现，是固化的第二个阶段。最后，某些乳液在制备时引入交联机理，或在涂料使用时引入交联剂，使膜的硬度在热塑性树脂的基础上进一步提高。最后这一步的交联机理，会对膜的最后固化速度和程度有很大的影响。常见的交联机理有氧化交联（如醇酸树脂的交联），麦克尔加成式交联（如一些自交联乳液体系），及亲核取代式交联（如环氧，聚氨酯等）。这些交联反应，都受温度，pH等因素影响，在配方时应平衡体系的固化要求与其他性能的关系。 3、 成膜助剂的用量和种类及对性能的影响：任何树脂的溶剂都是成膜助剂。在实践中，考虑到安全，成本，速度等因素，常见的成膜助剂有十几种，主要是一些高沸点的醇，醚及酯。一般配方中成膜助剂会根据要求搭配两三种使用。主要考虑因素是试剂在水和树脂之间的分配和在树脂颗粒内部的分配。特别是当水性树脂为多相树脂时，成膜助剂的选择和搭配即显得尤为重要。但像醇脂12等高沸点的成膜助剂，水性木器漆一般不会使用。气味大是一方面，关键是沸点高，成膜助剂挥发时间太长，不利于硬度及其它性能上去。 4、 施工环境：因为水的特性，使得水性涂料在施工环境上比油性漆要求要高一些，主要是尽量控制施工时的温度和湿度，特别是湿度。通用配方的施工要尽量避免高湿环境，但也要避免北方冬季的那种低温低湿天气。如果必须在高湿度下施工，应该对配方进行调整，或者选择成膜性快的树脂或者对现场实行隔离处理。如果湿度太低，则需要调整配方慢干，否则干速太快会导致开裂、失光等问题。 故此，想做到“硬”而快干的水性木器漆，主要研究路径是：找到合适Tg的水性树脂，搭配相对应的成膜助剂来配合，调整漆液的最终成膜性，让漆液之品质要求达到想要的结果。而要达到理想的干性和硬度，除乳液自身的干性外，最重要的影响是：成膜助剂的品质和品质选择，其次是量化的平衡；而硬度方面则由乳液的配伍性、成膜助剂的品质和量的有机组合来获得。
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发表于
2020-3-10 08:09:00
