表面控制助劑在水性聚氨酯涂料中的應(yīng)用

張 原 （迪恩特涂料（上海）有限公司，上海 201619）

0 引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益提高，特別是對(duì)空氣污染的關(guān)注度越來(lái)越高，各個(gè)國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列的環(huán)保法規(guī)以便更好地保護(hù)環(huán)境。我國(guó)的環(huán)保部門也同樣聯(lián)合多部門逐步出臺(tái)和更新了一系列嚴(yán)格的法律法規(guī)以及地方條例。這些法律法規(guī)以及地方條例中特別對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、有害空氣污染物（HAPs）的防治與控制做出了規(guī)定。

傳統(tǒng)的溶劑型涂料在噴涂和干燥過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的VOC 排放，已經(jīng)不能適應(yīng)如今越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保要求。于是各國(guó)為減少VOC 排放量，減少污染、節(jié)省能源而大力研發(fā)各類環(huán)保型涂料。按照所使用的分散介質(zhì)，環(huán)保型涂料大致可分為以下幾種：無(wú)溶劑型、高固體分型、水分散型和粉末涂料。

在各種低VOC 涂料中，從產(chǎn)品的形態(tài)和使用方法來(lái)看，水性涂料與溶劑型涂料是相同的。水性涂料的應(yīng)用一般不受場(chǎng)合的限制，也不需要專用的涂裝工具和設(shè)備，并且水性涂料氣味低、以容易獲取的水為介質(zhì)，所以逐步受到越來(lái)越多的重視，且對(duì)水性涂料的研究也越來(lái)越多。在水性涂料中，水性聚氨酯涂料是使用的一個(gè)大類。水性聚氨酯涂料較完整地保留了溶劑型聚氨酯涂料的特性，其某些性能甚至超過(guò)了溶劑型聚氨酯涂料。

因此現(xiàn)階段很多噴涂公司都或主動(dòng)或被動(dòng)地要求“油改水”，但是有許多噴涂公司的噴涂環(huán)境是非全封閉式的，同時(shí)有些噴涂公司不愿意添加水性涂料噴涂設(shè)備或者改造成適合水性涂料噴涂的環(huán)境。所以就出現(xiàn)了一系列問(wèn)題。雖然噴涂公司每次噴涂都會(huì)對(duì)需要噴涂的底材表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，但還是會(huì)由于一些不到位的處理使得底材的表面不可避免地受到一些沾污，比如工人帶汗液的手無(wú)意間觸碰到底材表面，或者空氣中沾了油污的灰塵落在底材表面，甚至還有在噴涂溶劑型涂料的區(qū)域內(nèi)噴涂水性涂料，使得底材表面含有一些低表面張力的細(xì)小液滴。由于水性涂料的表面張力較高，這樣就會(huì)造成噴涂后的水性涂料漆膜表面產(chǎn)生縮孔、露底、火山坑或其他一些表面不良現(xiàn)象。所以在制訂水性涂料配方時(shí)，添加水性表面控制助劑是很有必要的。

本研究針對(duì)市面售賣的幾款水性表面控制助劑進(jìn)行一些篩選試驗(yàn)，進(jìn)而改進(jìn)客戶在噴涂現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水性涂料涂裝時(shí)遇到的一些漆膜表面不良問(wèn)題。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

水分散性羥基丙烯酸乳液，DIC；水性異氰酸酯樹(shù)脂，東曹化工；金紅石型鈦白粉，東方鈦業(yè)；分散劑，畢克化學(xué)；pH 調(diào)節(jié)劑，陶氏化學(xué)；消泡劑，贏創(chuàng)、畢克化學(xué)；底材潤(rùn)濕劑，空氣化學(xué)、畢克化學(xué)、聚力化工；成膜助劑，上海嘉榮；增稠劑，德謙-海名斯；防腐劑，上海宜添；紫外光吸收劑、抗氧化劑，臺(tái)灣永光；純凈水，雀巢。

1.2 儀器設(shè)備

振蕩機(jī)；高速分散機(jī)；電子天平；25 μm 細(xì)度板；烘箱；比重杯；空氣噴槍；空氣壓縮機(jī)；鐵質(zhì)膜厚儀；吸管；直尺。

1.3 試驗(yàn)方法

白色基料的制備：

（1） 按表1 配方，將乳液、分散劑、pH 調(diào)節(jié)劑（原料1～3）在500～600 r/min 轉(zhuǎn)速下進(jìn)行預(yù)混合，然后在該攪拌速度下緩緩加入消泡劑（原料4），待充分?jǐn)嚢韬?，一邊攪拌一邊緩慢添加鈦白粉（原?），繼續(xù)攪拌直至鈦白粉均勻分散在樹(shù)脂溶液中，調(diào)節(jié)分散機(jī)轉(zhuǎn)速至1500～2000 r/min，高速攪拌20 min，制得顏料漿，待用。

表1 白色基料的配方Table 1 White base formulation

（2） 把玻璃珠放入預(yù)攪拌好的顏料漿中，置于振蕩機(jī)中振蕩至細(xì)度達(dá)20 μm 以下，取出，過(guò)濾。

（3） 在攪拌的情況下，依次加入除表面控制助劑以外的其余原料（6～14），并且每個(gè)原料添加完畢后保持?jǐn)嚢? min，直至最后一個(gè)原料添加完畢，制成空白基料，過(guò)濾，待用。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性表面控制助劑在純水中的試驗(yàn)

2.1.1 水性表面控制助劑在純水中的抑泡性和消泡性為了初步篩選水性表面控制助劑對(duì)底材的潤(rùn)濕效果，將99.5%的純凈水和0.5%的水性表面控制助劑在高速攪拌（2500 r/min）下分散30 min，混合均勻后，把該混合液體封裝進(jìn)帶瓶蓋的玻璃瓶中待用。將待測(cè)水性表面控制助劑用該方法全部混合結(jié)束后，將這些玻璃瓶一起在振蕩機(jī)中進(jìn)行振蕩。然后取出，觀察泡沫液面高度的變化，并用直尺測(cè)量泡沫高度，靜置10 min 后，再用直尺測(cè)量泡沫高度，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 泡沫高度對(duì)照?qǐng)DFigure 1 Foam height comparison chart

水性表面控制助劑的樣品分別有BYK 346，BYK 3455，DW 2-100，104 E；然 后 再 將104 E 和BYK 346、104 E 和BYK 3455、104 E 和DW 2-100 分別以質(zhì)量比為1∶1 的比例在攪拌下滴入純凈水中，按照上面同樣的攪拌方法，分別制作成3 個(gè)混合液，用以進(jìn)行篩選對(duì)比測(cè)試。

由圖1 可見(jiàn)，104 E 的抑泡性和消泡性效果是最好的，幾乎沒(méi)有氣泡產(chǎn)生，其次是104 E+BYK 3455的組合，BYK 346 的抑泡性和消泡性最差。即消泡和抑泡的綜合性能從最好到最差的順序依次為：104 E>104 E+BYK 3455>104 E+DW 2-100>104 E+BYK 346>BYK 3455>DW 2-100>BYK 346。

2.1.2 水性表面控制助劑在純水中的擴(kuò)散性

用吸管各取5 滴樣品，分別滴在馬口鐵板上，觀察液滴在1 min 內(nèi)的擴(kuò)散情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 水性表面控制助劑在純水中的擴(kuò)散性Figure 2 Diffusion of aqueous surface control additives in pure water

由圖2 可見(jiàn)，104 E+BYK 346 液滴的擴(kuò)散性最好，其次是104 E+BYK 3455，104 E+DW 2-100 液滴的擴(kuò)散性與未添加104 E 的DW 2-100 液滴的擴(kuò)散性差不多，104 E 液滴基本沒(méi)有擴(kuò)散。

即擴(kuò)散性從最好到最差的順序依次為：104 E+BYK 346>104 E+BYK 3455>BYK 346>BYK 3455>104 E+DW 2-100 ≈DW2-100>104 E。

2.2 水性表面控制助劑在白色涂料中的穩(wěn)泡性試驗(yàn)

按照白色基料總配方質(zhì)量的0.5%分別稱取以上表面控制助劑樣品，在低速攪拌下將其緩慢加入白色基料中，然后保持2000 r/min 的轉(zhuǎn)速，高速分散30 min，分別對(duì)高速分散好的樣品進(jìn)行相對(duì)密度測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)。靜置24 h 后，再對(duì)這些白色涂料進(jìn)行相對(duì)密度測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷水性表面控制助劑在白色涂料中的穩(wěn)泡性。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 相對(duì)密度對(duì)照表Table 2 Relative densite comparison table

由表2 測(cè)試結(jié)果可知，剛分散好時(shí)的水性涂料的相對(duì)密度都差不多，靜置24 h 后，水性涂料的相對(duì)密度都有所增大，這是因?yàn)橄嗤瑔挝惑w積內(nèi)的水性涂料因?yàn)榕菽У脑驈亩斐伤酝苛系馁|(zhì)量增加了。所以靜置24 h 后水性涂料的相對(duì)密度越小，就說(shuō)明越穩(wěn)泡。由表2 可知，這些表面控制助劑中最不穩(wěn)泡的是104 E+BYK 3455，其次是104 E，最穩(wěn)泡的是BYK 346。

即穩(wěn)泡性從最穩(wěn)泡到最不穩(wěn)泡的順序依次為：BYK 346>BYK 3455>104 E+BYK 346>104 E+DW 2-100>DW 2-100>104 E>104 E+BYK 3455。

2.3 水性表面控制助劑在白色涂料中的流平潤(rùn)濕性試驗(yàn)

將上述已添加0.5%水性表面控制助劑的白色涂料，用空氣噴槍直接噴涂在鋼板上，噴涂前用干凈的抹布對(duì)鋼板進(jìn)行簡(jiǎn)單的清理和除油。將噴涂后的樣板于室溫放置24 h 后，觀察樣板表面是否有縮孔、露底、火山坑，或者其他一些因?yàn)榱髌讲涣级霈F(xiàn)的漆膜問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從噴涂后的樣板表面產(chǎn)生的漆膜不良的個(gè)數(shù)來(lái)看，流平效果最好的是104 E+BYK 346，其次是BYK 346，漆膜不良點(diǎn)個(gè)數(shù)最多的有2 個(gè)種類，分別是BYK 3455 和104 E+DW 2-100。

即流平潤(rùn)濕性從好到差的順序依次為：104 E+BYK 346>BYK 346>104 E+BYK 3455≈104 E>DW 2-100>104 E+DW 2-100 ≈BYK 3455。

表3 漆膜表面流平不良點(diǎn)的個(gè)數(shù)Table 3 Number of poor leveling

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，市面售賣的水性表面控制助劑主要有有機(jī)硅類的和炔二醇類（104 E）兩類，這兩種水性表面控制助劑的主要作用機(jī)理都是通過(guò)降低靜態(tài)表面張力（低表面能基材的表面張力）和動(dòng)態(tài)表面張力（高速施工過(guò)程中的張力）來(lái)達(dá)到消除縮孔、露底、火山坑或其他一些表面缺陷的目的。但傳統(tǒng)的有機(jī)硅類表面控制助劑往往有穩(wěn)泡作用，以往都是通過(guò)添加更多的消泡劑來(lái)達(dá)到消泡的目的，而這又會(huì)導(dǎo)致漆膜產(chǎn)生新的表面缺陷，從而進(jìn)入一個(gè)惡性競(jìng)爭(zhēng)循環(huán)。而炔二醇類表面控制助劑不僅不穩(wěn)泡，同時(shí)還具有很好的抑泡作用，所以在配方設(shè)計(jì)時(shí)可以單獨(dú)使用炔二醇類的表面控制助劑來(lái)達(dá)到消除漆膜表面缺陷的目的，或者也可以通過(guò)把炔二醇類表面控制助劑與有機(jī)硅類表面控制助劑進(jìn)行復(fù)配的辦法來(lái)解決漆膜表面缺陷的問(wèn)題。

通過(guò)上述的一系列試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：104 E 和BYK 3455 以1∶1 比例復(fù)配，復(fù)配后的液體添加量為總配方量的0.5%時(shí)，其綜合效果是最優(yōu)的。由此結(jié)論制得的水性涂料樣品在客戶噴涂現(xiàn)場(chǎng)噴涂，客戶反饋漆膜的表面效果確實(shí)有比較明顯的改善，見(jiàn)圖3。

圖3 改良前后現(xiàn)場(chǎng)噴涂效果比較Figure 3 Comparison of field spraying effects before and after improvement