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成膜助剂在水性双组分聚氨酯涂料中的应用

来源:未知 作者:admin 时间:2020-01-21 点击:
导读:简述了几种常用成膜助剂应用于水性双组分聚氨酯涂料中,对其施工和外观的影响。
成膜助剂在水性双组分聚氨酯涂料中的应用
方  博1,2,李国军1,2,张玉国1,2,王从国1,2
(1.广州擎天材料科技有限公司,广州 510860;2.中国电器科学研究院有限公司,广州 510080)

0 前 言
成膜助剂通常为高沸点溶剂,其挥发速率相较于水更低,会在涂膜形成后慢慢挥发。成膜助剂能促进高分子化合物塑性流动和弹性变形,改善其聚结性能,帮助其在较广泛施工温度范围内成膜,是一种容易挥发消失的增塑剂。在热塑性的水性乳液中,为了保证涂膜硬度、耐化学品等性能,必须提高乳液聚合物的玻璃化温度,与此同时,涂膜所需的最低成膜温度(MFT)也就比较高,给较低温度下涂料的施工和成膜带来麻烦,而成膜助剂正好可以解决这个问题,使高性能与低施工温度可以不发生冲突。

水性双组分聚氨酯涂料的成膜则和热塑性水性乳液不同,通过含水性羟基多元醇树脂的涂料和水可分散多异氰酸酯固化剂的均匀混合,随着水和溶剂的挥发,粒子间距逐步减小,形成高浓度的堆积结构,进而形成更加紧密的六边形结构,最后通过多元醇和多异氰酸酯的主反应生成氨基甲酸酯。在水性双组分聚氨酯涂料中添加成膜助剂的主要目的也和热塑性水性乳液不同,并不是帮助涂料的成膜,而是通过成膜助剂的添加帮助涂料的施工以及提升涂膜的外观。

本文以迪爱生的WD-551和帝斯曼的XK-110两种不同的水性羟基多元醇树脂作为甲组分主要成膜物,其中WD-551为分散体型羟基丙烯酸多元醇,羟基含量3.3 mg KOH/g,固含量44%,属高羟基含量树脂。涂膜具备高光泽、高丰满度,良好的物理化学性能,可用于对外观和性能要求较严格的中高端面漆,且由于其是分散体类型的水性树脂,在生产过程中不易破乳,方便操作。XK-110为乳液型羟基丙烯酸多元醇,羟基含量2.5 mg KOH/g,固含量46.5%,属中羟基含量树脂。涂膜拥有较高光泽及丰满度,由于羟基含量不高,涂膜的交联密度不够,其物理化学性能较之高羟树脂均有所欠缺,但是面对外观和性能要求不高的产品,其较低的固化剂添加量可使在性价比方面更具优势。由于是乳液型水性树脂,对配方中成膜助剂的选择和使用更需谨慎,避免出现破乳的情况。乙组分选用科思创的XP2655,通过添加不同的成膜助剂,对涂料甲组分的贮存稳定性、甲乙组分混合后的施工性(流平和防流挂效果)、涂膜表干速度以及干膜外观等进行相关对比,以期为成膜助剂的选择提供一些借鉴。

1 实验部分
1.1 原材料和仪器设备
原材料:迪爱生的WD-551和帝斯曼的XK-110水性羟基多元醇树脂、R-980钛白粉、BYK2012分散剂、BYK028消泡剂、DEGO4100润湿剂、PW336流平剂、OMG0620增稠剂、成膜助剂。
表1为本文所选几种常用成膜助剂的基本参数。
几种成膜助剂基本参数 Table 1 Basic Parameters of Several Film-forming Additives
仪器设备:电子天平、分散机、砂磨机、刮板细度计、黏度杯(2#杯)、干膜测试仪、上壶喷枪等。

1.2 基本配方(见表2)
本实验采用n(—NCO)∶n(—OH)=1.5∶1进行实验,当水性羟基丙烯酸多元醇树脂为WD-551时,按m(A组分)∶m(B组分)=7∶1;当水性羟基丙烯酸多元醇树脂为XK-110时,按m(A组分)∶m(B组分)=10∶1。
 基本配方 Table 2 Basic Formula
1.3 实验方法
将分散剂、消泡剂加入去离子水中,低速搅拌约5 min,在持续搅拌下缓慢加入钛白粉,中速搅拌约15min,均匀后放入砂磨机进行研磨,至细度小于20 μm,取出色浆,在中速搅拌下依次加入水性羟基丙烯酸多元醇树脂、润湿剂、流平剂、二乙醇胺、增稠剂和成膜助剂,所有组分加入完毕后继续中速搅拌15 min,得A组分。
按1.2所述比例将AB组分混合均匀,加入去离子水调节黏度约40 s(2#杯),喷涂于马口铁上,常温流平5min后70 ℃烘烤1 h制得涂膜。

2 结果与讨论
2.1 涂料甲组分贮存稳定性
涂料贮存稳定性是指涂料产品在正常的包装状态和贮存条件下,经过一定的贮存期限后,产品的物理或化学性能所能达到原规定的使用要求的程度。由于涂料产品在生产厂制成后,到使用往往需经一段时间的周转,往往可能贮存几个月,甚至数年以后才使用,理想的涂料产品在容器中贮存应该不发生质量变化。水性涂料相较于溶剂型涂料更易出现贮存不稳定的情况,尤其是在加入成膜助剂以后,部分会对乳液造成破坏,从而出现结皮、颗粒、沉降等现象。不同的水性乳液对成膜助剂的选择和添加量也不一样,本节对所选两种水性羟基多元醇树脂按上述基本配方制成的涂料甲组分添加不同成膜助剂的贮存稳定性进行了测试,测试依据为GB/T 6753.3—1986国标,贮存温度50 ℃,时长30 d。
水性羟基多元醇树脂WD-551和XK-110的测试结果如表3、表4所示。
 成膜助剂对水性涂料贮存稳定性的影响(WD-551) Table 3 The Effect of Film-forming Additives on  Waterborne Coatings’ Storage Stability (WD-551)

注:表中项目按6个等级评定:10=无、8=很轻微、6=轻微、4=中等、2=较严重、0=严重;黏度变化按6个等级评定:10为≤5%、8为≤15%、6为≤25%、4为≤35%、2为≤35%、0为>45%。
成膜助剂对涂料贮存稳定性的影响(XK-110) Table 4 The Effect of Film-forming Additives on Coatings'  Storage Stability (XK-110)
注:表中项目按6个等级评定:10=无、8=很轻微、6=轻微、4=中等、2=较严重、0=严重;黏度变化按6个等级评定:10为≤5%、8为≤15%、6为≤25%、4为≤35%、2为≤35%、0为>45%。
由表3、表4可见,在不添加成膜助剂时,两种水性羟基多元醇制备的水性双组分聚氨酯涂料甲组分的贮存稳定性都很好,在添加成膜助剂后最易发生沉降问题,不同的成膜助剂对两者的影响也不尽相同,且沉降问题随着成膜助剂量的加大变得严重,部分出现颗粒情况。所以针对不同的水性羟基多元醇树脂所制备的水性涂料须充分测试各种成膜助剂应用于其中时的稳定性。由表2和表3可见,WD-551可选择成膜助剂添加量5%左右的DPM、TPNB、TPM,在选用醇酯12时成膜助剂量可加大至10%;而5%的所述成膜助剂均适用于XK-110,PNB和醇酯12可增加至10%。

2.2 涂膜表干速度
涂膜表干亦可称作指触干,即当手指轻触涂膜感到发黏,但涂膜不附在手指上的状态。影响涂膜表干速度的因素很多,树脂的不同、温湿度的高低、成膜助剂的种类和用量都会造成表干速度的差异。在涂料的施工过程中,表干时间太短会给涂膜的外观带来负面影响,出现如流平不好、起泡、痱子等现象,而过长的表干时间会带来很多不便,也更容易出现流挂问题。
针对上述两种水性羟基多元醇树脂所制得的水性涂料在相同的温湿度情况下添加不同的成膜助剂,根据实验方法制备涂膜,测试其表干速度。实验期间空气温度28~30 ℃,相对湿度40%,具体测试结果如表5所示。
成膜助剂对涂膜表干时间的影响 Table 5 The Effect of Film-forming Additives on Tack-free  Time
结合表1,添加挥发速率越慢、沸点越高的成膜助剂会使得涂膜表干速度变慢,而且随着添加量的增大变得更慢,在设计涂料配方时可根据需要利用相应的成膜助剂及适当的添加量来调节涂膜的表干速度。

2.3 干膜外观
水性双组分聚氨酯涂料可以拥有优异的性能与外观,但其涂膜在干燥过程中很容易出现流平不良、橘皮、起泡、痱子等问题,不仅严重影响涂膜的外观,而且部分不良的外观也会对涂膜性能产生一定程度的影响。如2.2所述,在涂料配方中添加高沸点成膜助剂可调节涂膜表干速度,通过延长涂膜表干速度同样可以使流平不良、橘皮、起泡、痱子等问题得到解决。
但是不同的水性羟基多元醇树脂所需的成膜助剂也不尽相同,如果成膜助剂是水性羟基多元醇树脂的不良溶剂,很可能会导致最终的涂膜失光、起雾、没有丰满度。
对本实验所涉及的WD-551和XK-110两种水性羟基多元醇树脂添加涂料配方量10%的不同成膜助剂后的光泽、流平、痱子等进行相应的测试。本节实验期间空气温度30~32 ℃,相对湿度60%,具体测试结果如表6、表7所示。
成膜助剂对干膜外观的影响(WD-551) Table 6 The Effect of Film-forming Additives on the Appearance of Coatings Film (WD-551)

注:流平按6个等级评定:10=优、8=良、6=中等、4=较差、2=差、0=严重橘皮;痱子问题按6个等级评定:10=无、8=很轻微、6=轻微、4=中等、2=较严重、0=严重。
成膜助剂对干膜外观的影响(XK-110) Table 7 The Effect of Film-forming Additives on the Appearance of Coatings Film (XK-110)
注:流平按6个等级评定:10=优、8=良、6=中等、4=较差、2=差、0=严重橘皮;痱子问题按6个等级评定:10=无、8=很轻微、6=轻微、4=中等、2=较严重、0=严重。

表6、表7中,不添加成膜助剂时,因为流平不佳和痱子的影响,涂膜实测光泽均会下降,而且随着干膜厚度的增加,痱子问题更加严重,对光泽的影响也越大。结合表1,对比表6和表7,随着成膜助剂挥发速率的减小和沸点的上升,涂膜的流平效果更佳,而痱子问题也更加轻微;而不同的成膜助剂对两种水性羟基多元醇树脂所制备的涂料影响也不一样。尤其体现在光泽上,部分对光泽不影响甚至会使光泽得到提升,部分会对光泽产生一定的影响,目视时可看见涂膜有雾影,不通透。由表6和表7综合来看,DPM、TPM、醇酯12对两种树脂均是较为适合的成膜助剂。

3 结 语
本文对两种不同的水性羟基多元醇树脂在不添加以及添加不同的成膜助剂时涂料的贮存稳定性、涂膜表干速度和干膜外观方面进行了比较深入的研究,设计以及制备水性双组分聚氨酯涂料时须根据不同的树脂进行相应的测试,选用一种或是多种成膜助剂搭配,综合各因素的影响以使涂料可以稳定贮存,涂膜外观和性能达到最佳状态。

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