水性聚氨酯漆料干燥速率及漆膜性能影響規(guī)律研究

張家祖 ，徐 康 ，袁少飛 ，王洪艷 ，張 建 ，張文標(biāo) ，李 琴

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省竹類研究重點實驗室，浙江 杭州 310023）

目前我國家具用木器涂料主要以溶劑型聚氨酯、硝基涂料為主，其在制造和施工過程中釋放出大量甲醛、醇類、鹵代烴、苯系物以及游離二異氰酸酯等有毒有害物質(zhì)[1]，對生態(tài)環(huán)境及人類健康帶來嚴(yán)重危害。相比于高VOC（揮發(fā)性有機化合物）排放的油性漆，水性漆采用水作為主要溶劑，具有無毒、安全、環(huán)保等優(yōu)點[2-3]，因而部分發(fā)達城市如北京、深圳已頒布新規(guī)，要求增加家具用木器涂料中的水性漆使用比重。為此，水性木器涂料在裝飾裝修家具行業(yè)中的應(yīng)用前景也將變得日益廣泛[4-5]。目前，國內(nèi)外關(guān)于水性木器涂料的研究主要以聚氨酯、丙烯酸以及兩者合成物為主成分的水性漆料為主。其中，關(guān)于家具用水性聚氨酯的研究主要以漆料制備和改性等[6-7]為主，包括水性聚氨酯制備與合成[8-9]，以改善水性聚氨酯綜合性能為主的交聯(lián)改性[10-11]、復(fù)合改性[12]、納米改性[13-14]及環(huán)氧樹脂改性[15]等，水性聚氨酯成膜技術(shù)及漆膜理化性能研究等[10,16]。另一方面，關(guān)于水性漆涂飾及干燥技術(shù)[17-18]等方面的研究也有一定涉及，干燥過程中的溫濕度對水性聚氨酯漆膜干燥速率及漆膜性能起關(guān)鍵作用[19]。除了溫濕度以外，漆料和基材類型、涂飾工藝等對水性漆干燥及漆膜性能也存在一定影響，但有關(guān)這方面的研究相對較少，還不夠系統(tǒng)和深入。

本研究以實驗室自制的4種水性聚氨酯漆料為研究對象，分析不同漆料、基材類型及涂飾工藝對水性漆表干、實干時間以及漆膜硬度、附著力、耐磨性的影響，以期為水性木器漆料的涂飾和干燥技術(shù)提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用材為市場購置的櫻桃木Prunus serotina、白橡 Quercus alba、紅橡Quercus rubra、水曲柳Fraxinus mandschurica、沙比利Entandrophragma cylindricum貼面膠合板素材，厚度為3 mm，含水率分別為8.6%、11.1%、9.8%、10.7%、10.2%。將其加工成尺寸為100 mm（長）×100 mm（寬）× 3 mm（厚）的規(guī)格后放入自封袋中待用。漆料為實驗室自主研配的單組份水性聚氨酯，性能參數(shù)見表1，其中D為底漆，M1、M2、M3為面漆。

表1 水性漆基本參數(shù)Table 1 Property parameters of waterborne coatings

其余試驗材料主要有：400#砂紙、600#砂紙、馬口鐵板（70 mmh150 mm）、水性木器漆專用刷、AP180/39（180#0/3）型砂布條（12.7 mmh 165 mm）、57 mm透明膠帶、脫脂棉、中華牌高級繪圖鉛筆（9B～9H）、15 cmh15 cm定性濾紙（75 g/m2）、聚苯乙烯樣品池（DTS0012）。

1.2 儀器與設(shè)備

主要使用的儀器和設(shè)備有：數(shù)字式粘度計（NDJ-5S，上海尼潤）、納米粒徑電位分析儀（Zetasizer Nano ZS90，英國）、可程式恒溫恒濕試驗機（JW-500-20，上海巨為）、電子天平（JY20002，感量：0.01 g，上海舜宇）、秒表（TF807，深圳惠波）、漆膜干燥時間測定器（QGS，天津圣鑫達）、鉛筆硬度計（BY-750，上海普申）、漆膜劃格器（HGQ，2 mm間距，上海普申）和漆膜磨耗儀（JM-IV，上海普申）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計

以水性漆料M1、M2和M3為研究對象時，選定涂飾工藝為“一底兩面”（即分別涂飾一遍底漆和二遍面漆），底漆和面漆每遍的涂飾量分別為100、 120 g/m2，基材為櫻桃木貼面膠合板，綜合比較漆料干燥速率及漆膜性能，優(yōu)選出較優(yōu)漆料；以基材櫻桃木、水曲柳、紅橡、白橡和沙比利為研究對象時，以較優(yōu)漆料為涂飾面漆，涂飾工藝參數(shù)同上，分析不同基材對漆料干燥速率及漆膜性能的影響；以涂飾工藝“一底一面”（即分別涂飾一遍底漆和一遍面漆）、“一底兩面”和“兩底兩面”（即分別涂飾兩遍底漆和兩遍面漆）為研究對象時，以較優(yōu)漆料和基材進行涂飾，底漆、面漆涂飾總量分別為100、240 g/m2，當(dāng)涂飾兩遍時每遍涂布量為總量的一半，優(yōu)選出較優(yōu)的涂飾工藝。

1.3.2 涂飾及干燥

為提高基材表面涂飾效果和改善表面質(zhì)量，涂飾前采用400#砂紙對基材進行砂光并去除毛刺。然后用蒸餾水按質(zhì)量比將漆料固含量統(tǒng)一調(diào)配為28%，涂飾時將試樣放在電子天平上，用漆刷順著木紋方向進行刷涂，通過涂飾前后質(zhì)量變化控制涂布量，涂飾量誤差控制在±3 g/m2，涂飾之后立即將試樣放進恒溫恒濕箱中進行干燥，其中溫度、相對濕度和風(fēng)速分別為50 ℃、50%、0.5 m/s。試樣實干后，用600#砂紙順著木紋方向輕輕手動打磨涂層，再進行下一道工序。每個試驗重復(fù)5次。此外，3種漆料同時用于涂飾馬口鐵板，以測試不同漆料的水分揮發(fā)速率和累計揮發(fā)量，涂飾和干燥工藝同上，干燥過程中定期取出馬口鐵板稱質(zhì)量并記錄。

1.3.3 干燥時間和漆膜性能測試

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試漆料表干、實干時間以及漆膜的鉛筆硬度、耐磨性和附著力。實施過程詳見《G/BT 1728ü1979（1989）漆膜、膩子膜干燥時間測定法》、《GB/T 6739ü2006 涂膜鉛筆硬度測定法》、《GB/T 4893.1ü2005漆膜耐性磨性測定法》 及《ISO 2409ü2007 色漆和清漆-劃格試驗》。其中，表干、實干時間測試時，分別用指觸法和壓濾紙法測試表干時間和實干時間，漆膜實干后，將試樣放置于溫度25 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中平衡7 d，然后在室溫條件下測試漆膜性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同漆料的表實干時間及漆膜性能

從圖1可以看出，隨著干燥時間的延長，3種面漆第一遍和第二遍涂飾后的水分揮發(fā)速率在小幅波動后表現(xiàn)出先快速降低后趨于穩(wěn)定的趨勢，相對應(yīng)的，水分累計揮發(fā)量則是先快速增加后趨于穩(wěn)定。漆料成膜是經(jīng)歷水分從分散狀態(tài)的聚合物中蒸發(fā)、聚合物相互堆積纏繞滲透并最終融合成致密填充體的過程[10]。干燥開始后，漆膜在恒溫恒濕箱中逐漸吸熱而溫度上升，水分子運動加劇而快速揮發(fā)，水分快速揮發(fā)后，涂層表面水分補充速度變慢，并逐步形成連續(xù)干膜，此時漆膜中的水分含量較少，殘留水分只能通過乳膠粒子間的孔隙進行擴散[20]。之后水分揮發(fā)速率進一步趨于穩(wěn)定，水分累計揮發(fā)量幾乎不變。圖1中，M1在馬口鐵板上第一遍和第二遍涂飾后，其水分揮發(fā)速率都略低于M2和M3。第二遍涂飾后，M1的最終水分累計揮發(fā)量為0.76 g，小于M2（0.81 g）和M3（0.83 g），說明M1中的殘余水分較多，而M2和M3的干燥速率沒有明顯區(qū)別。

圖1 馬口鐵板涂飾后的漆料水分變化曲線Fig.1 Water loss curves of tinplate after finished

表2為漆料涂飾在櫻桃木上的干燥時間。從表2中可以看出，M1、M2和M3第一遍和第二遍涂飾在櫻桃木上的實干時間分別為13、10、12 min和15、12、11 min。M1的干燥用時最長，這與其涂飾在馬口鐵板上的水分揮發(fā)速率變化規(guī)律一致。其原因可能與漆料中異氰酸酯類型、聚多元醇類型以及相關(guān)助劑等有關(guān)[21-22]，漆料中乳液類型及助劑影響聚合物分子大小和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，進而影響最低成膜溫度（MFT）[23-24]，MFT越低，漆膜干燥速率越快。

表2 不同面漆在櫻桃木上涂飾后的干燥時間?Table 2 Drying time of different waterborne coatings after finished on P.serotina wood

由表3可知，不同漆料在基材上形成的漆膜硬度、附著力和耐磨性有所差別。漆膜硬度是漆膜抵抗外界物體壓陷、刮擦、切劃和滲透的能力[25]。試驗結(jié)果表明，3種面漆的漆膜硬度均在H級以上，M2的硬度最佳，M1和M3次之。其原因可能與漆料主劑和所用助劑等有關(guān)[26]。主劑膠粒大小和結(jié)構(gòu)[27]以及分散劑、增稠劑、成膜助劑等助劑都會影響聚合物分子鏈交聯(lián)程度，最終影響漆膜硬度。漆膜附著力是涂層與被涂基材表面（涂層與涂層表面）之間通過物理與化學(xué)作用相互附著的牢固程度[28]。漆膜附著力與不同漆料成膜后的硬度、柔韌性等相關(guān)，一定的硬度能提高漆膜附著力，但是漆膜過硬也容易脆裂，導(dǎo)致附著力不升反降[29]。本試驗中，M2附著力最佳，為0級；M1和M3次之，為1級。漆膜耐磨性是指漆膜表面抵抗磨損的程度[13,30]。本試驗中以100轉(zhuǎn)漆膜失重量表示漆膜耐磨性，失重量越小則耐磨性越好。由表3可知，M1和M3的漆膜耐磨性最好，失重量分別為73.2 mg和81.3 mg；M2次之，為104.6 mg。在耐磨試驗中，漆膜前期的耐磨性取決于面漆和底漆，因為面漆的硬度和底漆在基材上的附著力對耐磨性有著重要的影響[25]，漆膜受到長時間磨損時，底漆和基材的硬度以及底漆在基材上的附著力對耐磨性起關(guān)鍵性作用。

綜上所述，不同漆料對漆料干燥速率和漆膜性能都有一定影響，以上性能很大程度受成膜樹脂本身性能的影響。用分步淘汰法對漆料進行篩選，首先淘汰干燥速度最慢的M1；其次，雖然M3的耐磨性能好于M2，但是 M2的干燥時間略短，并且硬度及附著力優(yōu)于M3，因而優(yōu)選出M2為后續(xù)試驗涂飾用面漆。

表3 不同面漆在櫻桃木上涂飾后的漆膜性能?Table 3 Film properties of different waterborne coatings after cured on cherry wood

2.2 基材對漆料表實干時間和漆膜性能的影響

由表4可以看出，底漆的干燥速率從快到慢依次為：水曲柳、櫻桃木、白橡、紅橡、沙比利。綜合比較第一遍和第二遍面漆涂飾在不同基材上的干燥速率，水曲柳和櫻桃木上的干燥速率最快，紅橡次之，白橡和沙比利較慢。不同基材的管孔大小有所差異，徑切面上導(dǎo)管槽大小影響底漆向基材中的滲透量。當(dāng)導(dǎo)管槽較大時，底漆向基材中的滲透量也相對較大，可能導(dǎo)致后續(xù)涂布的面漆繼續(xù)向下滲透，對水分向干燥介質(zhì)中的遷移蒸發(fā)存在一定影響，從而表現(xiàn)出不同的表實干時間。此外，基材表面潤濕性、表面張力和含水率等與漆料干燥速率可能也有一定關(guān)系。

表4 漆料在不同基材涂飾后的干燥時間Table 4 Drying time of waterborne coatings after finished on different substrates

表5為不同基材上的漆膜硬度。從表5中可以看出，漆料涂飾在不同基材上漆膜硬度均在H以上，櫻桃木、沙比利和水曲柳的硬度最佳，為2H，紅橡與白橡次之，為H；櫻桃木、沙比利和紅橡的附著力最佳，為0級，水曲柳和白橡次之，為1級；耐磨性較好的是水曲柳和白橡，櫻桃木、沙比利和紅橡次之，但差別不明顯。

表5 漆料在不同基材上涂飾后的漆膜性能Table 5 Film properties of waterborne coatings after cured on different substrates

漆膜硬度跟漆膜厚度及基材硬度有所相關(guān)[31]，涂飾量一定時，基材表面導(dǎo)管槽越大，造成底漆向下滲透量越多，底漆封閉效果越不明顯，從而造成面漆涂布時繼續(xù)向基材孔隙滲透，導(dǎo)致基材表面漆膜厚度變小，漆膜內(nèi)部分子作用力及表面抗壓能力小；基材表面導(dǎo)管槽小時，基材表面漆膜厚度大，能對基材表面起更好的保護作用；此外，基材硬度也可能影響漆膜硬度。同理，基材表面粗糙度導(dǎo)致底漆滲透量不均的問題，也影響了面漆涂布后的漆膜附著力[32]。表面較平整時，底漆向基材中的滲透量較小，面漆主要附著在底漆上面，燕尾楔效應(yīng)相對不明顯，附著力較弱；當(dāng)表面具有一定導(dǎo)管槽時，有利于增加涂層與木材之間的接觸面積和機械咬合點[33]，形成燕尾楔效應(yīng)，大大增加粘結(jié)強度；但是當(dāng)導(dǎo)管槽過于粗大時，底漆封閉效果較差，影響了基材表面面漆含量或厚度，降低了漆膜的附著力，因此，表面粗糙度過小或者過大都會造成漆膜附著力降低。由表5可知，5種基材上漆膜耐磨性無明顯區(qū)別。其他條件相同時，漆膜耐磨性與漆膜厚度呈線性關(guān)系[31]，漆膜厚度足夠厚時，抵抗砂輪摩擦的是漆膜耐磨功能層，此時基材對漆膜耐磨性幾乎沒有影響，影響漆膜耐磨性的主要是涂料本身性能，而當(dāng)漆膜厚度較薄時，試驗取樣、打磨位置及方向等都可能影響測試結(jié)果。

綜上所述，不同基材對漆膜干燥速率、漆膜硬度及附著力有一定影響，但對漆膜耐磨性影響不大。涂飾在水曲柳和櫻桃木上的漆膜的干燥速率較快，櫻桃木、沙比利和水曲柳上的漆膜硬度較好，櫻桃木、沙比利和紅橡上的漆膜附著力較好。綜合考慮，選取櫻桃木為后續(xù)試驗涂飾用基材。

2.3 涂飾工藝對漆料表實干時間和漆膜性能的影響

由表6可知，“一底一面”、“一底兩面”以及“兩底兩面”涂飾工藝對底漆和面漆的總實干時間未有明顯影響，其中底漆的總實干時間分別為8、8、9 min，面漆的分別為24、22、23.5 min，這可能與本試驗中的涂布量不大、涂層厚度較薄有一定關(guān)系。相比于“一底一面”和“一底兩面”涂飾工藝，“兩底兩面”工序更為復(fù)雜，導(dǎo)致實際操作時間更長，生產(chǎn)成本更高?！耙坏滓幻妗辈僮鞴ば蜃顬楹啙?，但是面漆的一次涂布量較大，容易造成涂飾困難，漆膜均勻性差，一次涂飾后涂層厚度大也可能導(dǎo)致針孔、流掛和發(fā)白等現(xiàn)象。因而，“薄涂多道”有一定道理，建議采用“一底兩面”工藝進行涂飾。從表7中可以看出，不同工藝涂飾后的漆膜硬度均為2H，漆膜剝落率均小于5%，無一格脫落，附著力都達0級；100轉(zhuǎn)漆膜失重值差距不大。涂飾量及干燥條件相同時，不同涂飾工藝對漆膜厚度未形成明顯差別，因而對漆膜硬度、附著力及耐磨性影響都不明顯。

表6 不同涂飾工藝在櫻桃木上涂飾后的漆料干燥時間Table 6 Drying time for different process treatments after finished on the cherry wood

表7 不同涂飾工藝在櫻桃木上涂飾后的漆膜性能Table 7 Film properties for different process after cured on the cherry wood

3 結(jié)論與討論

水性漆涂飾和干燥是家具生產(chǎn)制造中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)研究了漆料、基材和涂飾工藝對水性漆表干、實干時間和漆膜硬度、附著力、耐磨性的影響，主要得到以下結(jié)論：

1）漆料的表實干時間及漆膜硬度、附著力、耐磨性很大程度受成膜樹脂本身性能影響，本試驗條件下M1干燥速度最慢，M2和M3之間區(qū)別不大；M2漆膜硬度和附著力分別達2H和0級，M1和M3分別為H和1級；M2漆膜耐磨性較差；雖然M3的耐磨性能好于M2，但是M2的干燥時間略短，并且硬度及附著力優(yōu)于M3。綜合比較，M2較優(yōu)。

2）基材影響漆料干燥速率、漆膜硬度和附著力，但對漆膜耐磨性影響不大。其中，M2在水曲柳和櫻桃木上的干燥速度最快，紅橡次之，白橡和沙比利略慢；櫻桃木、沙比利和水曲柳上漆膜的硬度最佳，為2H，紅橡與白橡次之，為H；櫻桃木、沙比利和紅橡上漆膜的附著力最佳，為0級，水曲柳和白橡次之，為1級；M2在不同基材上的耐磨性差別不明顯。

3）涂飾工藝對漆料表干、實干時間影響不明顯，但影響實際操作時間和生產(chǎn)成本；對漆膜硬度、附著力、耐磨性影響都不明顯，3種涂飾工藝涂飾后漆膜硬度和附著力分別為2H和0級，漆膜耐磨性差別不大，綜合考慮建議采用“一底兩面”涂飾工藝。

漆料和基材類型對水性木器漆干燥速率和漆膜性能存在一定影響，與邢會存等[22]、常方圓等[31]、陳秀蘭等[29,32]的研究結(jié)果相類似。除漆料和基材類型以及涂飾工藝以外，干燥是水性木器漆涂飾及相關(guān)制品制造的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，是制約水性木器漆推廣應(yīng)用的重要因素，而本文并未開展水性木器漆干燥工藝方面的研究。目前，關(guān)于干燥溫度、相對濕度等工藝條件對水性木器漆干燥速率、干燥質(zhì)量、干燥成本等方面的研究還較少。為此，有必要進一步開展干燥工藝對水性木器漆干燥效率、漆膜質(zhì)量等方面影響的研究，為家具制品制造過程中水性漆涂飾和干燥工藝技術(shù)提供參考和借鑒。