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创新的水性丙烯酸树脂可用于工业木器涂料

作者:Terri Carson博士,技术服务和质量控制主任;Laurie Morris,高级应用化学家;Jim Bohannon,高级应用化学家 | Alberdingk Boley Inc,美国北卡罗来纳州格林斯博罗   |  发表于:2016-02-24   |  关键词:木器涂料,树脂,丙烯酸树脂,甲苯,醇酸树脂,   | 摘自: 2015年美国PCI中文版电子杂志6月刊

工业木器涂料覆盖多个市场应用领域,包括家具、厨房橱柜、建材和装饰涂料。这些市场对于产品的要求在很大程度上取决于应用领域。对户外涂料注重高耐久性和防潮性,而室内涂料则主要强调耐化学品性和耐磨性。

最大的室内木器涂料市场之一是家具行业。这一市场使用的几种树脂技术包括溶剂型(SB)、水性(WB)、紫外光固化聚氨酯分散体(UV PUDs)和自交联丙烯酸树脂。在决定使用哪种技术时,主要应考虑以下几个标准:加工工艺、性能、外观、VOC以及成本。

北美木器涂料市场以溶剂型技术占主导地位,包括硝基漆(NC)和氨基酸固化涂料。这些涂料有很多优势,包括快速的干燥时间、高光泽,同时还可以增强木器的外观。它们也非常经济,容易通过喷涂、辊涂、淋涂和浸涂。然而,使用这些材料也有一项重大缺点,即VOC和有害空气污染物(HAP)高,且混合使用时间短。由于对低VOC含量和甲醛排放的法规日益严格,因而也愈发需求环保型涂料1。因此促进了行业向水性技术,包括紫外光固化聚氨酯分散体(UV PUDs)和自交联丙烯酸等技术的转变。

由于排放量极低,UV PUDs作为溶剂型树脂的替代品越来越被认可。它们具有高性能,并把工艺问题减至最少。因为UV PUDs 属于高分子量聚合物,与100%固体份体系相比,其固化网络的交联密度较低,限制了固化后的收缩,因而与大多数基材间的附着力极佳。由于具有包含氢键的聚氨酯和尿素的硬链段,加之来自多元醇为基础的软段,因而具有出色的机械性能。水性紫外光固化(WB UV)应用上存在的一些挑战与工艺有关。固化前完全脱水至关重要,湿度等考虑因素也应加以考虑,以便最大程度地减少由于干燥不彻底而产生的次品。此外,这种技术的成本要高于溶剂型技术。

水性树脂技术中同样包括自交联丙烯酸分散体。总的来说,它们具有良好的耐久性,并且由于聚合物粒子的相分离形态,因而能配制成低成膜助剂含量的高性能涂料。依据所应用的聚合方法的不同,可获得多种类型的形态,这也会对成膜特性产生影响,如抗粘连性(图2)。这些材料也可以与水性UV树脂混合,从而在保持良好性能的同时获得更经济的配方。需要注意的领域包括聚合物粒子胶体稳定所需的表面活性剂的存在。这类组分会迁移到膜表面,使膜产生水敏感性,也可能在配方中引起泡沫问题。在外观方面,并没有特别强调丙烯酸可以提高木质基材的外观,通常缺乏透明度。虽然与溶剂型硝基漆漆相比,水性丙烯酸的固含量较高,但通常不会产生光滑手感。

本将介绍了一种新型自交联丙烯酸,Alberdingk® AC 3630,并考察了其在KCMA和家具涂料应用上的性能,并与传统自交联丙烯酸和溶剂型面漆,尤其是商用清漆进行相比较。AC 3630的特性包括出色的透明度、良好的木质感、耐污染性强、干燥时间短、不易起毛刺、在多孔基材上成膜出色。另外,与传统乳液相比,本产品的表面活性剂含量较低,因而低泡且防水性好。

实验

表1总结了纳入本次研究范围的丙烯酸乳液性能。评估了MFFT范围约在20-45°C的单相和多相产品。这些树脂专为工业木器应用配制,依据的是厨房用具制造商协会(KCMA)2以及各家具制造商对VOC低于200 g/L的指标要求。所有配方固含量均调整到同一水平,并包括各种标准助剂,消泡剂、蜡、流平剂和流变改性剂。本项研究还对一种商用加工清漆进行了评估。不计溶剂,VOC总含量为550 g/L。

涂布木板按以下四个步骤准备:

1.在樱桃木面板上喷涂厚度约4–5 mil的湿膜;

2.风干15分钟;

3.在50°C下强制干燥15分钟,然后冷却15分钟;

4.用320硬脂酸盐和超细磨砂海绵打磨面板,并对第二道涂层重复这一过程。

选择KCMA和家具测试方法

耐化学品性/耐污染性:用足够的化学品和污渍在测试面板上形成0.25至0.5英寸直径的污点,盖上表面皿。等待16至20小时。去除化学品和污渍,并用水清洗面板表面。对每个化学品和污渍测试点进行评定,0代表漆膜表面完全毁损,5代表漆膜表面未受影响。所使用的化学品包括醋、柠檬汁、橙汁、葡萄汁、西红柿酱、咖啡、橄榄油、1%的洗涤剂溶液、芥末和水。

耐洗涤剂及耐水性(水浸渍性):准备0.5%的洗涤剂溶液并浸入一块#8纤维素海绵。将一块带涂层的面板在海绵上放置24小时,观察漆膜表面的变化。未起泡、泛白或明显变色为合格标准。

刮擦附着力:从每个测试面板上切下4x7英寸的小块试样。采用毕克加德纳刮擦附着力试验仪进行附着力测试,重量5000克,使用循环划针。按0到5评级,0代表漆膜表面被完全毁损,5代表漆膜表面未受影响。

球压痕实验:从每个测试面板上切下4x7英寸的小块试样。采用毕克加德纳刮擦附着力试验仪进行漆膜球压痕实验,重量300克,使用# 5785小笔。

等待1小时后进行评估。评级标准分为合格、不合格。24英寸外肉眼可见压痕即为不合格。

耐沸水性:用10毫升沸水对面板进行测试。将一只盛满开水的陶瓷咖啡杯置于其上。等待1小时。移走杯子,并用纸巾擦拭面板。等待24小时。评估其泛白情况。

Scotch-Brite™ 耐划伤性:从Form 3B-H Leneta卡纸上取样(3 mil)。风干10分钟,然后在50°C下强制干燥10分钟。等待14天后进行测试。记录涂层光泽度(60º)。从绿色思高百洁布取下一个2英寸见方的小块。将200克重量置于上。在涂层表面来回滑动百洁布10个来回。移开百洁布,并记录光泽度。记录下光泽度受损情况(%)。

科尼格摆杆硬度(Koënig):从玻璃面板上取样(150微米)。风干了10分钟,然后在50°C下强制干燥10分钟。7天后对科尼格硬度进行评估。

测试结果探讨

如前所述,工业木器应用中溶剂型涂料的主要选择之一是清漆。清漆混合了油性醇酸树脂、尿素甲醛和三聚氰胺。由于它们采用了对甲苯磺酸等强酸催化剂,因而混合使用时间仅为24至48小时。清漆在工业木器应用上显示出很好的性能,然而,它们的VOC含量很高,而且甲醛被列为致癌物质。将传统清漆与水性自交联丙烯酸乳液进行了对比。喷涂了传统清漆的面板透明性出色、干燥时间短,并具有良好的木质感和表面润湿。在丙烯酸树脂中,只有AC 630具有类似的透明性、良好的木质感,并能在基材上保持良好的牢固度和观感。事实上AC 3630在罐内的透明度远优于其它丙烯酸,纯乳液的浊度较低就是有力证明(图3)。

图3

同时也观察到,与其它丙烯酸相比,在木器表面起毛刺最少。所有的涂料都显示耐指甲划伤的特性良好。另外,还采用柯尼格测试仪对七天后的表面硬度进行了测量。所有的丙烯酸都要比清漆柔软得多(<100s),AC 3630则是其中最坚硬的(图4)。尽管存在这种差异,涂覆了丙烯酸的部件仍能满足工业环境中的抗粘连性要求。

图4

图5

根据KCMA标准(图5)进行了耐化学品性测试。除AC-03之外的所有涂料均具有良好的性能,AC-03对葡萄汁、咖啡和乙醇(50%)的耐受性不佳。另外还进行了边缘浸泡测试,除AC-01外的所有涂料均以良好的结果通过了测试。这个测试模拟将洗涤剂浸泡的洗碗布铺在一个垂直的橱柜门上。选择丙烯酸时,应考虑到表面活性剂会使漆膜表面具有水敏感性。因此,使用低表面活性剂含量的材料是极为有利的。

图6

此外,还进行了几项测试来评估在家具涂装中的性能。对这个市场提出了各种要求,并根据商业应用与住宅应用进行了细分。图6给出了涂层的耐划伤性数据,对摩擦前后的光泽度进行了记录,并计算出了光泽损失百分比。数值越低,性能就越高。清漆光泽度损失率为25%,MFFT较低的丙烯酸的表现与之相类似。将聚氨酯分散体与丙烯酸混合可以进一步提高耐磨损性。对刮擦附着力也进行了测试,所有丙烯酸树脂的测试结果均优于清漆,清漆部分出现分层和泛白现象。耐沸水性测试结果如图7所示。清漆表现一般,而其它丙烯酸涂料则显示出优越得多的性能。

图7

总结

在工业木器涂料应用中,水性自交联丙烯酸乳液是合适的溶剂型产品替代品。它们的VOC含量较低、不受混合使用时间限制,并具有各种良好特性,可用于配制高性能涂料。同时,还推出了一种低表面活性剂含量的新型丙烯酸。由于其具有比溶剂型系统更卓越的雾化和木材润湿性、良好的光学透明度,以及木材温暖感,且较少起毛刺,因此,这一新开发成果的涂装性能更好。目前,正在进行进一步的研发,对颜料配方及与聚氨酯分散体的混合组合加以探索。

参考文献:

Howard, C. et al, From Evolution to Innovation. PCI Magazine, May 2014.

ANS/KCMA A161.1-2012, Performance and Construction Standard for Kitchen and Vanity Cabinets, 2012.




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