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含氟表面活性剂的新用途用于水性木器涂料

作者:   |  发表于:2013-03-27   |  关键词:

含氟表面活性剂的新用途用于水性木器涂料


木材表面涂料主要用作保护和装饰的目的。近年来,木器涂料制造商由于巨大的环境压力都将他们的研究和开发资源投入到改善水性涂料的性能上1。水性涂料面漆具有突出的环保优势,如挥发性有机化合物VOC含量符合规定,更低气味和更少有害的有机气体,更低的易燃性,减少过敏和皮肤刺激使工作环境更安全和健康,降低火灾隐患等。与此同时还存在经济方面的优势,如保险费降低,储存成本减少,以及处理有害废弃物的费用也降低了。另外还存在施工方面的优势,如能利用现有的设备进行不同厚度涂层的施工,减少了清洁所需的劳动力。

然而,从溶剂型涂料到水性涂料的变化使得需要开发包含更多组分,更加复杂的涂料体系。水的表面张力(72达因/厘米)比溶剂高得多。没有使用合适的表面活性剂组合而简单降低VOC,将导致许多表面缺陷如缩孔和桔皮的形成,所以,水性木器涂料的润湿,流平,泡沫控制和表面排斥性等问题对配方师来说是越来越具有挑战。一个有效的解决办法是添加适当的助剂以改善性能。木器涂料中的表面活性剂提供了两个主要作用:确保湿膜的平滑施工和提高漆膜对基材的附着力;改变表面能来提高涂膜的排斥性和耐化学介质性。

在以前的研究中,我们证明了含氟表面活性剂作为多功能添加剂能用于低VOC建筑用乳胶漆中,以能提供润湿性、流平性、抗粘连性、油排斥性和耐沾污性能2。本文中,我们讨论了水性木器涂料中含氟表面活性剂的作用,和作为经济有效的添加剂,它们如何在薄膜施工时帮助降低表面张力,改善润湿性、流平性、、油排斥性和耐化学介质的性能。

目前几乎所有类型的树脂如丙烯酸树脂、环氧树脂、醇酸树脂和聚氨酯树脂都能用来满足水性配方的特殊需求3。对于水性木器涂料,主要的涂料系统包括单组份丙烯酸乳液或分散体,单组份聚氨酯分散体(PUD)或PUD丙烯酸混合体系,单组份醇酸树脂,双组分水性聚氨酯(多元醇与异氰酸酯)。丙烯酸基料通常是通过各种单体乳液共聚在水中形成稳定的胶状固体颗粒(乳胶),丙烯酸分散体涂膜的形成包括水分蒸发、聚结、最后通过聚合物粒子间相互扩散而形成涂膜4。水可稀释型聚氨酯分散体(PUDs)和聚氨酯 - 丙烯酸混合体系能提供近似聚氨酯的性能,且作为单组分涂料施工方便。在这种化学工艺中,改性的异氰酸酯分子在水中是稳定的,在到达终端用户手中之前,就与多元醇反应生成水性聚氨酯分散体3

本研究使用水性自交联丙烯酸分散体作为基料,是因为空气干燥型水性丙烯酸分散涂料被广泛用于木器装饰,这种装饰需要能快速、低温固化。涂膜硬且干燥速度非常快5。重要的是,使用含氟表面活性剂没有造成木器涂料的重涂性问题,我们的数据证实了这一点。


实验

涂料配方及应用

在我们的实验中,使用的基料是一种中等硬度、自交联丙烯酸分散体,其最低成膜温度(MFFT)为113oF。研究了五种配方(配方ABCDE)来评价各种表面活性剂的性能。表1对这五种配方组成进行了一般性概述。

该配方的固体含量33%-34%、黏度为8,000-8,500 cps。涂料(用5%的水稀释)采用常规空气雾化喷涂方法在橡树底材上喷涂三道;空气压力为40-50/平方英寸(psi,每道时间间隔为45分钟。每道干膜厚度为55-60微米。

表面张力

使用KRUSS张力计用平板法测量表面张力。降低薄板至液体表面,测量施加在薄板上的向下的力来计算表面张力。


油排斥性

用测角器测定水和油在涂了涂料的木底材上的接触角,该测角器配有高速电荷耦合装置(CCD)的照相机来进行图像捕获。用注射器将水或十六烷滴到表面上。由计算机辅助的测角器测量液滴的接触角,测定时假定1分钟后液滴是稳定的,呈几何球体。油的接触角值高表示涂料有良好的的疏油性质,而较低的值表示油能润湿表面。


耐化学介质性

根据美国国家标准KCMA A161.1测试耐化学介质性。在测试之前,允许涂料在空气中干燥7天。将每种测试材料量为3毫升(分别为醋、橙汁、番茄酱、咖啡、橄榄油和浓度为50%的酒精)放置在漆膜表面上24小时。然后用干净的水清洗表面,并用干净的布抹干。通过观察漆膜上的任何变化如颜色、光泽和涂层破坏等来评定结果。


粘性

木板上喷涂三道涂层,每道干膜厚度为55-60微米。在室温下放置在空气中干燥24小时后,将八块样板如下放置:样板12面对面,样板23背对面,样板34背对面,样板45背对背,样板56面对面,样板67背对面,样板78背对面。剥离样板,评定粘性等级。


再涂性

三道涂层的再涂性用附着力试验来进行评价(ASTM D-3359划格胶带试验)。在测试前,漆膜在空气中干燥7天。


结果和讨论

起泡性

表面活性剂用水稀释,在涂料配方中的添加量相同,通过手摇晃涂料而产生泡沫。图1所示,是摇晃15秒后产生的泡沫的体积。该图显示四种含氟表面活性剂产生的泡沫的量低于有机硅表面活性剂产生的泡沫的量。Zonyl® FS-610 Capstone® FS-61 Capstone® FS-63含氟表面活性剂是特殊的产生低泡沫的产品,摇晃后几乎没有泡沫产生。

降低表面张力

含氟表面活性剂在去离子水和商品化的木器涂料基料中的表面张力如表2所示,水稀释型聚氨酯分散体(PUD)由于其接近聚氨酯的性能也被广泛用于单组分木器涂料体系。列出了表面张力的降低情况,并与研究的丙烯酸树脂进行比较。与有机硅表面活性剂相比,在水和水性基料中,特别是聚氨酯分散体(PUD)树脂中,含氟表面活性剂降低表面张力最有效。在四种含氟表面活性剂中,新一代的Capstone®表面活性剂与Zonyl®产品相比,具有更好的表面张力降低能力。

润湿性和流平性

在橡木板上喷上涂料,不同配方的表面外观如图2所示。使用含氟表面活性剂和有机硅表面活性剂配方的光学显微镜照片(8倍放大倍率)如图3所示。使用Capstone® FS-61 Capstone®FS-63的配方使用少量的消泡剂就能取得了良好的润湿性和流平性能。使用Zonyl®FSP的配方在表面上有气泡,使用有机硅表面活性剂的配方观察到严重的表面缺陷如缩孔和桔皮。这表明Zonyl®FS-610Capstone®FS-61Capstone® FS-63含氟表面活性剂有助于改善水性木器涂料的润湿性和流平性。


润湿是液体涂料在表面扩展的行为,对涂料成功的涂覆是必要的。通过两种方法可以改善润湿性能:1)通过清洁、去除污染物和基材预处理来提高基材的表面能;2)通过使用表面活性剂来降低涂料的表面张力,如果对基材没有进行改变,降低涂料的表面张力以获得良好的润湿是至关紧要的。与有机硅表面活性剂相比,含氟表面活性剂在降低表面张力方面更有效,从而导致具有更好的润湿性能。

流平性是获得光滑、均匀表面的能力。这是高光泽的木器涂料和罩光漆非常需要的品质。在涂膜的形成过程中,可能会发生许多问题,如基材润湿不足,流动性差,形成缩孔和浮色。这些问题都影响流平性能。在一般情况下,涂料的流平性能受表面张力、流变性、膜厚、溶剂的挥发速率和颜料的分散所控制。在我们的测试中,使用的增稠剂、干膜厚度和共溶剂等是相同的,所不同的是涂料的表面张力。所以可以合理的认为:与有机硅表面活性剂相比,含氟表面活性剂能较好地降低表面张力,因此流平性更好。含氟表面活性剂促进对基材的润湿,以防止缩孔,鱼眼和表面涂布不均,消除这些表面缺陷对获得良好的流平是有帮助的。含氟表面活性剂由于其快速迁移和良好的相容性,可以在整个表面区域达到相同的表面张力,这也有助于流平。总体而言,在水性木器涂料中使用含氟表面活性剂,有助于获得好的光泽甚至反射性能以及形成光滑涂膜。


油排斥性

水和油在不同的漆膜上的接触角列于表3,图4和图5显示了不同配方水和油的接触角。与使用含氟表面活性剂的配方相比,使用有机硅表面活性剂的配方水的接触角稍高。然而,使用有机硅表面活性剂配方的油接触角非常小(接近零),这意味着油渍或油化工品几乎完全可以在涂膜表面上铺展开来。含氟表面活性剂配方上的油接触角远远高于含有有机硅表面活性剂的配方,在表面上油成珠状。这表明,添加含氟表面活性剂可以为漆膜提供优异的油排斥性。

粘性

粘性测试结果如表4所示。添加含氟表面活性剂Capstone®的配方ABCD,与添加有机硅表面活性剂的配方E相比,具有更好的性能。


耐化学介质性

耐化学介质性测试结果如表5所示。对于醋,橙汁和番茄酱,漆膜24小时后没有变化。对于热咖啡,含有新型Capstone®FS-61含氟表面活性剂的配方B具有最好的性能。对于橄榄油和酒精,添加含氟表面活性剂的配方ABCD比添加有机硅表面活性剂的配方E具有更好的性能。

再涂性

涂覆三道涂层后使用划格法和3M透明胶带测量附着力,结果列于表6。使用含氟表面活性剂的配方的附着力为5B,而使用含硅表面活性剂的配方的附着力只有3B。这表明,含氟表面活性剂对再涂后的附着力没有负面影响。

结论

人们早就知道,液体的表面张力是影响润湿性能的最重要的因素。一般情况下,表面张力越低,润湿性越好。这对于介绍水性涂料特别重要。在水性体系中,由于水的表面张力较高,通常有必要加入合适的添加剂来降低表面张力以确保良好地润湿底材。润湿具有低表面能的基材特别困难,如塑料或被油脂或污垢污染的基材。润湿特别困难。含氟表面活性剂在降低表面张力方面最有效,能改善润湿性和防止出现表面缺陷。消除这些表面缺陷对流动和改善流平性能是有利的。

含氟表面活性剂的特点之一是疏油或对油排斥。使用含氟表面活性剂可以大大降低涂膜的粘性,提高油排斥性和改善耐化学介质性。这种多功能的属性也直接关系到外用木器涂料的耐污染性能的改善。对于对再涂问题的关心,我们的研究表明,在水性木器涂料中使用含氟表面活性剂就不会有再涂的问题。

相比于其他类别的添加剂,在水性木器涂料中使用含氟表面活性剂有许多优点。含氟表面活性剂可以:

最有效地降低液体涂料的表面张力;

为漆膜提供优良的润湿性和流平性;

帮助配方设计师通过减少消泡剂的用量,而简化配方

并改善整体涂膜的质量;

降低涂膜粘性、提高油排斥性,并提高耐化学介质性能


参考文献

1    Kimberling, Abigail S.;Bhatia, Surita R. Block Copolymers as  

     Low-VOC Coatings forWood: Characterization and Tannin Bleed

     Resistance, Progress inOrganic Coatings 2004, 51, p 1526.

2    Meng, Jean. NovelApplications for Fluorosurfactants in Low-VOC

     Coatings, Paint &Coatings Industry 2007, April, p 84-88.

3    Ba Su, Manua; Pradhan,Sunil Ch.; Ghosh, Sarmila; and Matty,

     N.C.. Recent Developmentin Water-Based Resins for Surface

     Coating, Progress inOrganic Coatings 1988, 16, p 19-49.

4    de Meijer, Mari. Reviewon the Durability of Exterior Wood

     Coatings with ReducedVOC-Content, Progress in Organic

     Coatings 2001, 43, p 217225.

5    Noomen, A. The Chemistryand Physics of Low-Emission

     Coatings, Progress inOrganic Coatings 1989, 17, p 27-39.




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