水性聚氨酯丙烯酸樹脂和聚丙烯酸酯面漆漆膜性能評(píng)價(jià)

張岱遠(yuǎn)，申黎明，閆小星

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院； 2.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037)

水性聚氨酯丙烯酸樹脂和聚丙烯酸酯面漆漆膜性能評(píng)價(jià)

張岱遠(yuǎn)1，申黎明2*，閆小星2

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院； 2.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037)

選取兩種商用的水性木器涂料面漆進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，其主要成膜物質(zhì)分別為水性聚氨酯丙烯酸樹脂和聚丙烯酸酯。通過傅里葉紅外光譜測(cè)試分析這兩種面漆的官能團(tuán)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行漆膜的干燥速率、鉛筆硬度、耐磨性、漆膜光澤度和漆膜24 h吸水率測(cè)試，分析這兩種水性木器涂料面漆性能的差異，為家具企業(yè)在應(yīng)用水性木器涂料時(shí)提供選擇依據(jù)，并且為這兩種水性樹脂在木器涂料應(yīng)用中的改良提供一定實(shí)驗(yàn)依據(jù)。結(jié)果表明：水性聚氨酯丙烯酸酯樹脂的水性木器面漆在漆膜硬度、耐磨性、光澤度和耐冷液性能方面都要好于水性丙烯酸酯的水性木器面漆，但水性丙烯酸酯木器涂料的干燥速度更快，24 h漆膜吸水率只有8.2%，低于水性聚氨酯丙烯酸酯漆膜的29.6%。通過研究可發(fā)現(xiàn)交聯(lián)程度高的水性聚氨酯丙烯酸樹脂在漆膜耐磨性、表面光澤度和硬度等方面有更好的表現(xiàn)，但漆膜表面過快形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)降低漆膜的干燥速率，提高企業(yè)的應(yīng)用成本。

水性涂料；木器；成膜樹脂；漆膜性

隨著人們生活水平的提高，安全健康意識(shí)逐漸增強(qiáng)。在與人們生活息息相關(guān)的家居木制品領(lǐng)域，水性木器涂料越來越受到政府和消費(fèi)者的重視，這使得家具行業(yè)的相關(guān)企業(yè)不得不開始進(jìn)行大規(guī)模的油改水技術(shù)改進(jìn)。雖然目前傳統(tǒng)的溶劑性涂料在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍占有較大的份額[1]，但水性涂料已經(jīng)成為未來的主要發(fā)展方向[2-3]，室內(nèi)行業(yè)在2008年就立法規(guī)定要用水性涂料徹底代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溶劑型涂料，2015年2月以來出臺(tái)的一系列VOCs排放控制政策使得水性涂料的發(fā)展已經(jīng)成為不可逆的大勢(shì)所趨。目前市場(chǎng)上主要的涂料企業(yè)都已經(jīng)推出了水性木器涂料產(chǎn)品，但不同企業(yè)的水性涂料在性能和施工性上存在較大差異，這也給木制品企業(yè)在進(jìn)行油改水工藝改進(jìn)時(shí)帶來了許多問題。市場(chǎng)上主要的商用水性木器涂料的主要成膜物質(zhì)有水性丙烯酸樹脂、水性聚氨酯丙烯酸樹脂[4]、水性聚氨酯樹脂和水性醇酸樹脂等多種類型[5-6]。不同水性樹脂制成的水性涂料在性能上存在差異，例如耐水性、耐溶劑性、漆膜耐磨性、表面硬度、干燥速度和光澤度等方面[7-8]。筆者選取兩種水性涂料面漆進(jìn)行主要成膜物質(zhì)的化學(xué)成分分析和漆膜性能測(cè)試，研究水性涂料中不同成膜物質(zhì)對(duì)涂料綜合性能的影響，揭示影響因素與機(jī)理，以期為水性木器涂料面漆的研發(fā)改良及家具企業(yè)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水性木器涂料：選擇兩家國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見的水性木器面漆進(jìn)行對(duì)比研究，其中水性木器面漆A(公司A，主要成膜物質(zhì)為水性聚氨酯丙烯酸樹脂)，固含量26.42%；水性木器面漆B(公司B，主要成膜物質(zhì)為水性聚丙烯酸酯)，固含量39.73%。涂飾基材：櫸木板材，規(guī)格為100 mm×100 mm×10 mm；打磨材料：0.048和0.025 mm砂紙，分別用于基材打磨和漆膜層間打磨。

1.2 漆膜制備

漆膜制備在櫸木板材上，具體步驟如下：1)采用0.048 mm砂紙順紋理打磨基材直到表面光滑沒有明顯起伏；2)在試樣表面以15～20 g/m2的涂布量均勻刷涂配套的水性木器涂料底漆；3)將試樣在(25±2)℃的通風(fēng)環(huán)境中靜置1 h自然干燥；4)用0.025 mm砂紙輕輕打磨漆膜表面并用干布擦去表面的浮塵；5)重復(fù)2～4步驟，總共刷涂3遍底漆；6)在試樣表面以15～20 g/m2的涂布量均勻涂刷水性涂料面漆；7)將試樣在(25±2)℃的通風(fēng)環(huán)境中靜置1 h自然干燥；8)重復(fù)6～7步驟，總共涂刷2遍面漆(進(jìn)行耐磨性測(cè)試的試樣涂刷4遍面漆)。

1.3 漆膜性能測(cè)試

漆膜成膜物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析使用傅里葉變換紅外光譜光譜儀(FT-IR，Nicolet iS10，Thermo Fisher)，測(cè)定范圍4 000～500 cm-1，分辨率2 cm-1。采用薄膜試樣進(jìn)行測(cè)試。漆膜吸水性測(cè)試方法為：在玻璃片上制得22 mm×22 mm大小的漆膜，在恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥2 h，干燥溫度設(shè)定為60℃。完全干燥后靜置24 h，再稱取其質(zhì)量m1，將薄膜浸入蒸餾水中浸泡24 h取出，迅速擦去表面的水分后稱質(zhì)量m2，計(jì)算吸水率η。取3個(gè)樣品的平均值。其吸水率計(jì)算公式如下[9-10]：

η=[(m2-m1)/m1]×100%

(1)

式中：η為樣品吸水率，%；m1為樣品干燥后質(zhì)量，g；m2為樣品浸泡后質(zhì)量，g。

漆膜的干燥性能采用漆膜在干燥過程中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線來描述，每種面漆的樣本數(shù)為3個(gè)。漆膜硬度測(cè)試參照GB/T 6739—2006，使用QAT便攜式鉛筆劃痕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。漆膜附著力測(cè)試按照GB/T 4893.4—2013，使用QFH漆膜劃格儀進(jìn)行測(cè)試。漆膜耐磨性測(cè)試參照GB/T 4893.8—2013，使用BGD523漆膜磨耗儀進(jìn)行測(cè)試，砝碼質(zhì)量500 g，磨耗轉(zhuǎn)速60 r/min，磨耗圈數(shù)為50 r，每10 r記錄1次磨耗損失質(zhì)量，取3個(gè)樣品平均值。漆膜耐冷液測(cè)試參照GB/T 4893.1—2005標(biāo)準(zhǔn)。漆膜表面光澤度測(cè)試參照GB/T 4893.6—2013，使用GZ-Ⅱ光電光澤計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 漆膜成膜樹脂的化學(xué)官能團(tuán)分析

a.面漆A;b.面漆B 圖1 兩種水性木器面漆的紅外光譜圖像Fig.1 The FT-IR spectra of two waterborne wood topcoats

2.2 漆膜性能測(cè)試分析

2.2.1 漆膜耐吸水率分析

漆膜吸水率測(cè)試結(jié)果見表1。由表可知，面漆B的24 h吸水率為8.2%，遠(yuǎn)小于面漆A的29.6%。這是由于面漆A中的水性聚氨酯樹脂所含有的氨基甲酸酯鍵含量較大，其與水分子氫鍵的作用較大使得水分子容易進(jìn)入水性聚氨酯漆膜[15]，也有可能該面漆中水性聚氨酯中羧基陰離子的含量較高，各鏈段之間庫(kù)侖力的作用也變大，水分子易滲入軟、硬鏈段微離子聚集區(qū)，易被聚氨酯分子鏈上的親水基團(tuán)吸附、傳遞，從而使膠膜吸水率增加[16]。同時(shí)水性聚氨酯和水性丙烯酸樹脂過度交聯(lián)使得大分子的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量急劇增大，粒徑也明顯增大，大粒徑不利于分散體的穩(wěn)定性和膠膜的致密性，乳膠粒相互融合性越差[17]。這些會(huì)導(dǎo)致水分子易由外向內(nèi)滲透，造成吸水率上升。

表1 櫸木基材兩種水性木器涂料面漆的漆膜性能Table 1 Properties of two kind waterborne wood topcoat films applied to the beech board

2.2.2 漆膜鉛筆硬度和附著力分析

由表1可知，兩種水性涂料面漆的鉛筆硬度均不高，其中面漆A的鉛筆硬度等級(jí)為B，略高于面漆B的3B。這應(yīng)該是面漆A中的水性聚氨酯中含有氨基甲酸酯基團(tuán)(—NHCOOR)和脲鍵基團(tuán)等極性基團(tuán)，這些基團(tuán)的相互作用能使分子間力增大，增強(qiáng)漆膜的硬度，使得水性聚氨酯丙烯酸樹脂比單純的水性丙烯酸樹脂具有更好的硬度。

圖2 兩種水性木器面漆耐冷液2 h效果Fig.2 The resistance to cold water for 2 h of two kind waterborne wood topcoats

附著力方面，兩種水性涂料面漆的附著力均很好，達(dá)到了最高的0級(jí)，劃格周圍沒有觀察到剝落現(xiàn)象。這是由于兩種面漆中的水性丙烯酸樹脂提供了良好的附著力，水性樹脂中的親水基團(tuán)在遇到木質(zhì)基材表面的羥基時(shí)也能提供優(yōu)異的結(jié)合強(qiáng)度。

2.2.3 漆膜耐冷液性能分析

兩種面漆耐冷液測(cè)試2 h后效果見圖2，結(jié)果顯示面漆A要好于面漆B。在2 h耐冷液測(cè)試中，面漆A表面無可見變化，而面漆B出現(xiàn)了明顯的圓形印痕，等級(jí)為3級(jí)。此結(jié)果表明以單純水性丙烯酸樹脂作為成膜物質(zhì)的水性涂料吸水后表面樹脂出現(xiàn)了明顯的光澤度下降，從16%下降到12%左右。該測(cè)試結(jié)果證明漆膜表面的水性丙烯酸樹脂在吸水后發(fā)生了反應(yīng)，降低了漆膜的平整度。而水性聚氨酯丙烯酸樹脂中聚氨酯與丙烯酸樹脂之間的交聯(lián)反應(yīng)減少了漆膜中的羥基和羧基等親水基團(tuán)的數(shù)量，因此在遇水后更難發(fā)生反應(yīng)。結(jié)合漆膜吸水率測(cè)試的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水性聚氨酯丙烯酸樹脂的吸水率較高但漆膜在耐冷液性測(cè)試中無可見變化，這說明水性聚氨酯丙烯酸樹脂的吸水率高更多是因?yàn)樗肿訌哪z膜的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)間隙中進(jìn)入，而不是漆膜中的樹脂與水分子發(fā)生反應(yīng)，所以綜合來看，水性聚氨酯丙烯酸樹脂作為主要成膜物質(zhì)的面漆具有更好的耐水性[18-19]。

2.2.4 漆膜光澤度分析

由表1兩種水性涂料面漆中面漆A的光澤度明顯高于面漆B。面漆B的光澤度為16%，屬于二級(jí)亞光范圍；面漆A的光澤度達(dá)到了53%，屬于半光漆。這是由于水性聚氨酯丙烯樹脂的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得漆膜表面更加致密，因而面漆A具有更好的光澤度。

2.2.5 漆膜耐磨性分析

由表1兩種面漆的耐磨質(zhì)量損失可以看出，面漆A的耐磨性優(yōu)于面漆B，兩種面漆磨轉(zhuǎn)50 r內(nèi)磨耗質(zhì)量損失曲線見圖3。從圖中可以看出前10 r以內(nèi)面漆B的質(zhì)量損失達(dá)到0.005 6 g，明顯高于面漆A的0.004 3 g。面漆A的主要成膜物質(zhì)為水性聚氨酯丙烯酸樹脂，其中聚氨酯分子鏈中的硬鏈段含有的氨基甲酸酯基團(tuán)(—NHCOOR)等極性基團(tuán)能提供較高力學(xué)強(qiáng)度；另一方面水性聚氨酯和水性丙烯酸之間形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能提供面漆更好的耐磨性能。20 r以后兩曲線的質(zhì)量損失基本一致說明20 r之后兩種水性涂料面漆的漆膜均被磨穿。這說明兩種水性木器涂料面漆的固含量偏低，進(jìn)而導(dǎo)致成膜厚度很低，漆膜豐滿度不夠。

圖3 兩種水性木器面漆磨耗質(zhì)量損失Fig.3 The mass loss of two waterborne wood topcoats

2.2.6 漆膜的干燥性能分析

在漆膜的干燥能力測(cè)試中，將兩種面漆的涂布量控制在15～20 g/m2之間，干燥條件為(23±2)℃，空氣濕度在70%左右的室內(nèi)空間。兩種面漆自然干燥過程中漆膜質(zhì)量的變化見圖4。從圖中兩種涂料干燥質(zhì)量損失曲線的變化可以發(fā)現(xiàn)，面漆A和面漆B在前10 min的干燥速率基本相同，面漆A和面漆B的固含量分別是26.42%和39.73%。結(jié)合圖中曲線分析可以看到面漆B在干燥50 min時(shí)漆膜質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到涂料初始質(zhì)量的42%，說明漆膜已經(jīng)接近完全干燥；而面漆A的質(zhì)量仍然還有涂料初始質(zhì)量的53%，這說明面漆A的漆膜在自然干燥50 min后還殘留了較多的水分。結(jié)合兩種涂料的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析，可以判斷水性聚氨酯丙烯酸涂料中的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得其在干燥過程中逐漸在漆膜表面形成致密的網(wǎng)狀分子層，限制了漆膜內(nèi)部的水分向外移動(dòng)揮發(fā)，相比較單純的水性丙烯酸樹脂漆膜的中水分的運(yùn)動(dòng)受到的限制更小，因而在10 min后面漆B的干燥速度逐漸快于面漆A。

圖4 兩種水性木器面漆干燥過程中漆膜質(zhì)量變化Fig.4 The mass changing in drying process of two waterborne wood topcoats

3 結(jié) 論

對(duì)兩種商用水性木器涂料面漆進(jìn)行化學(xué)成分分析和漆膜性能測(cè)試的結(jié)果顯示：

1)水性聚氨酯丙烯酸為主要成膜物質(zhì)的水性面漆涂料的表面光澤度、漆膜硬度、耐磨性和耐冷液性能均強(qiáng)于水性丙烯酸樹脂的水性面漆涂料；

2)漆膜吸水率測(cè)試和干燥性能則顯示水性丙烯酸樹脂為主要成膜物質(zhì)的面漆在干燥方面有著更好的性能；

3)具有更高交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水性聚氨酯丙烯酸樹脂能提升漆膜30%的耐磨性，交聯(lián)后的水性聚氨酯丙烯酸酯漆膜具有更少的親水基團(tuán)的數(shù)量，這也能夠提升漆膜的耐水性。

綜合來看水性聚氨酯丙烯酸涂料是一種性能更好的水性涂料。但漆膜表面過快形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的特性會(huì)降低這類水性涂料的干燥速率，增加企業(yè)的應(yīng)用成本。因此研制出交聯(lián)程度好但同時(shí)不影響干燥性能的高固含量商用水性聚氨酯丙烯酸涂料應(yīng)成為相關(guān)企業(yè)和科研工作者主要的研究方向之一。

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Evaluation of film performances of waterborne polyurethaneacrylate and waterborne polyacrylate

ZHANG Daiyuan1,SHEN Liming2*,YAN Xiaoxing2

(1.College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University; 2.College of Furnishings and Industrial Design,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China))

The performances of two commercial waterborne wood coatings were tested and evaluated in this study.The Fourier-transform Infrared (FT-IR) spectrometer was used to test the chemical composition of two different commercial waterborne wood topcoats.The binder of topcoat A was identified as waterborne polyurethane acrylate and the binder of topcoat B was identified as waterborne polyacrylate.Then the film performance tests were conducted in aspects of drying speed,pencil hardness,abrasive resistance,lacquer film glossiness and 24 h water absorption of film.Based on the results of these tests,we analyzed the influence of different resin on the performance,which would provide theoretical basis for the furniture enterprise to choose suitable waterborne wood coating and provide experimental data for improving the research of the application of these two waterborne wood coatings.The results showed that the waterborne polyurethane acrylate coating was better than waterborne polyacrylate coating in pencil hardness,abrasive resistance,film glossiness，and resistance to cold fluid.The pencil hardness of waterborne polyurethane acrylate film was B while that of the waterborne polyacrylate film was 3B.When the abrasion laps was 50 r,the mass loss of this waterborne resin was 0.010 3 g,that was lower than the 0.013 7 g of the film of waterborne polyacrylate.But waterborne acrylic coating film had faster drying speed,and the 24 h water absorption of it was 8.2%.This is much less than the water absorption of waterborne polyurethane acrylate coating,which was 29.6%.The high cross-linked structure of the film makes waterborne polyurethane acrylate showed better performance in abrasion resistance,surface glossiness and hardness.However,the fast cross-linked formation of the film will also reduce the drying speed and increase the cost of the enterprises in application.On the whole,the waterborne polyurethane acrylate was better than waterborne polyacrylate and the fast drying high cross linked waterborne polyurethane acrylate was one of the most important research directions of the waterborne wood finishing coating.

waterborne coating;wood products;film-forming resin;film performance

TS664

A

2096-1359(2017)05-0138-05

2016-11-02

2017-03-14

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(14KJB220007)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK20150887)。

張岱遠(yuǎn)，男，研究方向?yàn)樗阅酒魍苛细男耘c工藝優(yōu)化。

申黎明，男，教授。E-mail:zhangdaiyuan1989@hotmail.com