硅藻土／PVC木塑復(fù)合材料涂飾技術(shù)

王桂英， 任象玉， 邱繼風(fēng)， 王樹東

（1.吉林化工學(xué)院化工與材料工程學(xué)院，吉林吉林 132022；2.白山市科學(xué)技術(shù)研究所，吉林白山 134300；3.德惠市東華化工有限責(zé)任公司，吉林德惠 136066）

0 引 言

硅藻土／PVC木塑復(fù)合材料是經(jīng)硅藻土改性的PVC木塑材料，是一種生態(tài)潔凈的綠色環(huán)保產(chǎn)品［1－4］，廣泛用于室內(nèi)外裝潢，如室內(nèi)門、窗套、門套、天花板、墻裙板、踢腳線等。經(jīng)擠出工藝得到的木塑基材顏色單一，表面還存在麻點(diǎn)、條紋、劃痕等缺陷，滿足不了人們的審美要求，因此，需對(duì)木塑材料表面進(jìn)行涂飾，以達(dá)到基材的保護(hù)和滿足人們的審美要求。

國內(nèi)外普遍采用的木塑材料涂飾方法主要有：PVC覆膜、貼木皮或紙皮、表面噴漆或淋漆、水轉(zhuǎn)印和熱轉(zhuǎn)印等［3，5－7］。PVC覆膜是利用熱壓粘合或是真空吸塑的辦法進(jìn)行表面處理，時(shí)間一長，PVC膜就會(huì)老化脫落，或是空氣進(jìn)入使基材與PVC膜間起泡，而且PVC膜的顏色有色差，不逼真；貼木皮或紙皮后涂漆的復(fù)合材料，在潮濕的環(huán)境下易起泡、掉漆、脫皮，并且采用的粘合劑大多含有甲醛或其它對(duì)人體有害的有機(jī)溶劑；熱轉(zhuǎn)印產(chǎn)品技術(shù)是利用高溫將彩膜貼于木塑材料表面，雖具有環(huán)保優(yōu)勢(shì)，但由于熱轉(zhuǎn)印膜較薄，熱轉(zhuǎn)印材料表面的豐滿度差，不耐刮擦，因此，開發(fā)木塑表面的涂飾新技術(shù)勢(shì)在必行。

文中探討一種新的硅藻土／PVC木塑復(fù)合材料的表面涂飾方法，工藝路線為：基材處理→上底色（輥涂）→砂磨→上花紋（印刷）→上UV面漆→流平→UV固化。

硅藻土／PVC木塑材料可用于室內(nèi)門、門套、窗套、櫥柜門等室內(nèi)裝飾裝潢，常受到摩擦、撞擊、陽光照射、冷熱溫差的影響，因此，表面漆膜要求具有一定的耐抗性，即耐磨性、耐黃變性、耐沖擊性、耐污性和耐熱性等。同時(shí)，木塑材料出廠前應(yīng)涂裝完畢，涂層除具有裝飾作用外，還要滿足后續(xù)的加工要求，如切割、鋸、釘和刨，因此，要求漆膜具有較好的附著力、柔韌性、耐沖擊性等。

文中針對(duì)硅藻土／PVC木塑材料的表面特點(diǎn)，從成本、環(huán)保和性能等綜合因素出發(fā)，開發(fā)了底涂涂料、花紋涂料和UV罩光涂料，使木塑材料達(dá)到表面耐磨、抗沖擊、抗劃傷的效果，達(dá)到保護(hù)和修飾的目的，解決其它方法存在的缺陷。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器

1.1.1 主要原材料

1.1.1.1 樹脂

A-36熱塑丙烯酸樹脂，加合樹脂企業(yè)股份有限公司；

CAB 381-0.5醋酸丁酸纖維素，廣州帝展國際貿(mào)易公司；

6170，6154B-8，611B-85和6154B-80脂肪族聚氨酯，臺(tái)灣長興化學(xué)品公司；

6215-100改性環(huán)氧丙烯酸酯，臺(tái)灣長興化學(xué)品公司。

1.1.1.2 活性單體

甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、1，6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）、三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）、二季戊四醇六丙烯酸酯（DPHA），江蘇三木公司。

1.1.1.3 著色劑

鈦白粉R-960，杜邦；

RM Red F5RK永固紅、RM Blue BGS酞青藍(lán)、RM Yellow 2GS耐曬黃，杭州力禾；

Bayferrox氧化鐵系顏料：4140鐵紅、4110鐵紅、4920鐵黃、4610鐵棕，拜爾；

880碳黑，卡博特。

1.1.1.4 助劑

BYK-333，BYK-163，德國畢克；

DeuRheo 201P，防沉劑，上海翔資化工有限公司；

2000目超細(xì)滑石粉，東莞市鼎元鈦業(yè)有限公司；硅藻土，白山市科學(xué)技術(shù)研究所監(jiān)制。

1.1.1.5 引發(fā)劑

2－羥基-2-二甲基-1-丙酮（1103），常州華鈦化學(xué)股份有限公司。

1.1.1.6 溶劑

乙酯（EAC），異丙醇（IPA），醋酸丁酯（BAc）、丙二醇甲醚醋酸酯（PMA），工業(yè)品。

1.1.1.7 涂料

硝基漆（NC）、聚酯漆（PE）、聚氨酯漆（PU），市售；

DH-100自制底涂涂料、DH-200自制印花涂料、DH-300自制UV罩光涂料。

1.1.2 儀器

JJ-1高速攪拌機(jī)，深圳市國華儀器廠；

TEM LSM-2L砂磨機(jī)，秦皇島億利化工機(jī)械制造有限公司；

線棒涂布器，涂-4杯，PPH21型鉛筆硬度計(jì)，上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；

UV-102型光固化機(jī)，歐石曼科技發(fā)展有限公司；

UV-INT150，UV能量計(jì)，廣州駿豪印刷器材有限公司；

輥涂機(jī)，勤誠（上海）電子設(shè)備廠。

1.2 試樣制備

1.2.1 DH-100系列單色底涂涂料／DH-200系列花紋涂料的制備

單色底涂涂料和花紋涂料基本配方見表1。

表1 單色底涂涂料和花紋涂料的基本配方 %

按表1配制單色漆，依次加入樹脂、溶劑、助劑及顏料，砂磨分散到細(xì)度≤25μm，攪拌均勻。

1.2.2 復(fù)色底涂涂料／花紋涂料的制備

用單色涂料調(diào)配成所需顏色。

1.2.3 罩光UV涂料的制備

將預(yù)聚物、活性稀釋單體、光引發(fā)劑、助劑按照配方比例混合，攪拌均勻（注意避光），400目過濾。

1.3 漆膜的制備

1.3.1 底色漆膜的制備

選用300mm×500mm的硅藻土／PVC木塑板，先用400目砂紙打磨、吹掃；用輥涂機(jī)將底涂涂料涂飾于木塑基材上（必要時(shí)可噴涂），干燥，使其固化成膜。

1.3.2 花紋漆膜的制備

利用印花機(jī)將花紋涂料涂布于已輥涂色漆的樣板上，干燥。

1.3.3 罩光漆膜的制備

選用經(jīng)底涂純色或印制花紋的300mm× 500mm的硅藻土／PVC木塑板，經(jīng)輥涂機(jī)涂飾（必要時(shí)可噴涂），紅外干燥、流平、UV固化成膜。

1.4 性能測試

1.4.1 涂層附著力

參照GB9256-88方法，通過劃格實(shí)驗(yàn)的方法判定漆膜的附著力，定為6級(jí)，0級(jí)最佳，5級(jí)最差。

1.4.2 涂層硬度

參照GB6739-86方法，使用漆膜鉛筆劃痕硬度計(jì)測試涂層的鉛筆硬度。

1.4.3 涂層柔韌性

參照GBT1731-93方法測試，7級(jí)最優(yōu)，1級(jí)最差。

1.4.4 涂層耐熱性

在漆膜上畫十字格，放入120℃烘箱中，3min后觀察漆膜狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 底涂涂料的選擇

硅藻土／PVC木塑涂飾前后的效果如圖1所示。

圖1 硅藻土／PVC木塑涂飾前后的效果圖

硅藻土／PVC木塑復(fù)合材料基材（見圖1（a））顏色單一，表面還存在麻點(diǎn)、條紋、劃痕等缺陷，滿足不了室內(nèi)裝飾裝潢的需要。底涂的目的：1）遮蓋瑕疵和增加表面平整度；2）使木塑材料表面呈現(xiàn)不同的底色和紋路，效果分別見圖1（b）和圖1（c），以滿足人們的審美要求。

為滿足生產(chǎn)、裝飾和后續(xù)加工的需要，底涂涂料應(yīng)滿足如下要求：

1）同木塑基材、花紋涂料和UV罩光涂料具有好的附著力；

2）干燥速度快；

3）易于打磨；

4）具有適當(dāng)?shù)挠捕群腿犴g性；

5）色彩鮮艷，耐候性好。

文中考察了幾種市售的常規(guī)涂料，如硝基漆（NC）、聚酯漆（PE）、聚氨酯漆（PU）、PVC涂料以及自制DH-100底涂涂料。底涂漆膜性能見表2。

表2 涂料種類對(duì)底涂漆膜性能的影響

由表2可見，涂料種類對(duì)漆膜性能有較大影響，主要體現(xiàn)在以下方面：

1）干燥速度的差別。聚酯涂料、聚氨酯涂料干燥速度較慢；硝基漆、PVC涂料和自制的DH－100底涂涂料，干燥速度較快，有利于大規(guī)模快速生產(chǎn)。

2）附著力的差別。底涂涂料的種類對(duì)硅藻土／PVC木塑底材的附著力有較大影響，聚酯涂料、聚氨酯涂料和自制HD-100涂料的附著力較好，PVC涂料次之，硝基漆附著力最差，結(jié)果如圖2所示。

3）柔韌性。由于各種涂料采用的主體樹脂不同，固化膜的交聯(lián)密度和玻璃化溫度不同，致使漆膜具有不同的硬度和柔韌性。聚酯漆和聚氨酯漆為雙組分固化體系，交聯(lián)密度大，因而硬度相對(duì)較大，柔韌性較差；HD-100底漆的柔韌性和PVC涂料的柔韌性較好。

底涂的目的是遮蓋瑕疵和提供底色，為增加表面的耐抗性和裝飾性，木塑復(fù)合材料的表面還需要罩光，底涂油墨的硬度和柔韌性應(yīng)適中，既要便于打磨，又要耐模切。PVC涂料盡管附著力和柔韌性不錯(cuò)，因涂料含酮類溶劑常會(huì)出現(xiàn)“燒底”現(xiàn)象；另外，PVC涂料漆膜相對(duì)較軟，不易打磨，給生產(chǎn)施工帶來不便。

圖2 底涂涂料附著力對(duì)比

聚氨酯和聚酯涂料對(duì)硅藻土／PVC木塑材料的附著力很好，因干燥速度較慢，所需操作空間較大，生產(chǎn)周期較長；另外，聚氨酯和聚酯涂料漆膜較硬，打磨過程費(fèi)工費(fèi)時(shí)，增加了生產(chǎn)成本。而自制的HD-100系列底涂涂料不但附著力好，而且干燥速度相對(duì)較快，硬度和柔韌性適中，易于打磨處理，切割實(shí)驗(yàn)表明，不會(huì)出現(xiàn)“崩漆”現(xiàn)象，因此，自制的HD-100底涂涂料的綜合性能較好。

2.2 花紋涂料的研究

選擇與底涂涂料相同的熱塑丙烯酸樹脂A－36為主樹脂，以特種碳黑和各種高耐光性的有機(jī)顏料為著色劑，配制花紋涂料（典型配方見表1）。應(yīng)用結(jié)果表明，該花紋涂料與底涂漆膜的附著力好、著色力強(qiáng)、干燥快，可滿足快速印刷的要求。

2.3 UV罩光涂料的研究

紫外光固化（UV）涂料綠色環(huán)保、高效、漆膜耐抗性好，該技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛重視和快速增長［8－12］，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。文中考察了預(yù)聚物種類、活性單體對(duì)附著力、硬度和耐熱性的影響。

2.3.1 預(yù)聚物對(duì)漆膜性能的影響

不同預(yù)聚樹脂復(fù)配制得UV漆膜的附著力比較如圖3所示。

圖3 不同預(yù)聚樹脂復(fù)配制得UV漆膜的附著力比較

預(yù)聚物是光固化涂料的主體，它的性能在很大程度上決定了光固化后材料的主要性能，如附著力、硬度、抗劃傷、耐溫性等［9］。UV罩光涂料的基本配方見表3。

按表3的基礎(chǔ)配方配制了罩光油墨，在400mJ／cm2的UV光強(qiáng)度下，漆膜性能見表4。

表3 UV罩光涂料的基本配方

表4 不同預(yù)聚物對(duì)漆膜性能的影響

由表4可以看出，環(huán)氧丙烯酸酯6215-100固化速度快，漆膜硬度較高，與底膜附著力較差（見圖3（a）），可能是由于固化時(shí)收縮較大，內(nèi)應(yīng)力過強(qiáng)，致使附著力較差。固化過程中的應(yīng)力則來自兩個(gè)方面：1）在固化過程中，UV涂料層體積收縮，造成與底涂漆膜在變形上的差異，在上下涂層間的界面上產(chǎn)生應(yīng)力；2）UV固化為快速反應(yīng)，材料在短時(shí)間內(nèi)劇烈放熱，這種反應(yīng)會(huì)造成涂層材料本身結(jié)構(gòu)的不均勻性，造成涂層本身的內(nèi)應(yīng)力［9］。

聚氨酯丙烯酸酯6170，6154B-80，611B-85及其復(fù)配的UV罩光涂料附著力較好，并且復(fù)配后的附著力優(yōu)于單獨(dú)一種聚氨酯丙烯酸酯，經(jīng)十字格檢測沒有脫落現(xiàn)象（見圖3（b）和圖3（c））。因聚氨酯的官能度不同，致使其固化速度不同，為增加生產(chǎn)效率，應(yīng)盡量提高固化速度，6170脂肪族聚氨酯含有4～5官能基，固化速度相對(duì)較快；其余為2官能度的脂肪族聚氨酯樹脂，固化速度相對(duì)較慢。由于6154B-8具有較好的耐污性，較適宜室內(nèi)裝飾材料，因此，綜合考慮附著力、速度、耐污性等性能，UV面漆應(yīng)由6154B-80和6170樹脂復(fù)配而成。

2.3.2 活性單體對(duì)漆膜性能的影響

活性單體是一種含有可聚合官能團(tuán)的有機(jī)小分子，它不僅溶解和稀釋低聚物，調(diào)節(jié)體系的粘度，而且參與光固化過程，影響涂料的光固化速度和固化膜的各種性能［11］，活性單體的官能度在一定程度上也影響涂料的光固化速度和漆膜的力學(xué)性能。因此，選擇合適的活性單體也是光固化涂料配方設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。以6170∶6154B-80＝1∶1為主體樹脂，占總質(zhì)量的50.8%，引發(fā)劑為1103占3%，活性單體占44%。調(diào)節(jié)單體種類及其比例，漆膜性能見表5。

表5 活性單體對(duì)漆膜性能的影響

從表5可以看出，活性單體的種類對(duì)干燥速度、附著力、硬度和柔韌性都有一定的影響。隨著單體官能度的增多，光固化反應(yīng)活性越高，固化速度越快，同時(shí)，固化膜的交聯(lián)密度增大，硬度提高，但柔韌性和耐模切性都變差。

活性單體對(duì)漆膜耐熱性的影響如圖4所示。

圖4 活性單體對(duì)漆膜耐熱性的影響

DPHA的附著力最差，可能原因如下：

1）DPHA是六官能團(tuán)單體，相對(duì)于二官能團(tuán)單體（HDDA）及單官能團(tuán)單體（HEMA）其粘度較大，加入后會(huì)影響涂料對(duì)色漆和花紋漆膜的潤濕程度。

2）DPHA相對(duì)于二官能團(tuán)單體及單官能團(tuán)單體而言，它的固化收縮率大，殘余應(yīng)力增加，進(jìn)而影響附著力和耐熱性，單獨(dú)選用DPHA為單體，漆膜在120℃烘箱中3min后會(huì)出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象（見圖4（a））；而其它樣板在同樣條件下則不會(huì)開裂（見圖4（b））。當(dāng)活性單體采用HDDA∶TMPTA＝1∶1時(shí)，UV面漆的綜合性能較好。

3 結(jié) 語

1）考察了各種涂料對(duì)硅藻土／PVC木塑基材的附著力、硬度和柔韌性，確定了以熱塑丙烯酸樹脂為主體樹脂的自干性底涂涂料。

2）以丙烯酸樹脂為主體樹脂，以特種碳黑和各種高耐光性的有機(jī)顏料為著色劑，優(yōu)化了適用于印刷方式的木塑花紋涂料。

3）考察了UV預(yù)聚物樹脂、活性單體等對(duì)木塑罩光涂料性能的影響，確定了基礎(chǔ)配方：預(yù)聚物占體系總量的50%～55%，其中，6170∶6154B-80＝1∶1；活性稀釋單體占體系總量的40%～45%，其中，HDDA∶TMPTA＝1∶1；光引發(fā)劑1103占3%～7%，另加少量的流平劑BYK-333，適用于輥涂工藝對(duì)PVC木塑材料表面進(jìn)行罩光。

4）采用底涂→印花紋→UV罩光工藝，對(duì)硅藻土／PVC木塑表面進(jìn)行涂飾，所得漆膜表面豐滿、細(xì)膩，手感好、耐刮傷、裝飾性優(yōu)。

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