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木器漆用水性UV-固化树脂

木器漆用水性UV-固化树脂

时 间: 2020-08-10

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摘 要:作者:LaurieMorris,高级化学家;AlberdingkBoley公…

作者:Laurie Morris,高级化学家;Alberdingk Boley公司;北罗卡莱纳州,Greensboro

 

水性(WB)UV化学品在木器漆市场上有显著增长,是由于该技术可带来优异的性能、环保,并能提高生产效率。UV涂料体系为终端用户提供了优异的耐化学性和耐划伤性、优异的防粘连性能、具有极低的挥发性有机化合物排、设备占地面积小,所需的存储空间也少。这些体系的性能优于双组分聚氨酯体系,且不存在复杂的交联问题和活化期问题。由于提高了生产速度,降低了能源成本,因而使得整个体系具有成本效益。这些优点也有利于一些工厂的外部应用,包括门窗框、壁板和其他木制品。细分市场通常使用丙烯酸乳液和聚氨酯乳液,因为它们具有优异的光泽度和保色性,并显示出优异的耐用性。在本研究中,聚氨酯丙烯酸树脂的UV功能已根据室内和室外的木器漆工业规范进行了评估。

 

木器漆常用的溶剂型涂料有三种。硝化纤维素漆通常是硝化纤维素和油或油基醇的低固体混合物。涂料干燥速度快,有很高的光泽度,通常用于家用家具。缺点是会随着时间产生黄变,易碎,耐化学性也较差。硝化纤维素漆的挥发性有机化合物含量很高,通常为500 g/L或更高。预催化漆是硝化纤维素、油或油基醇、增塑剂和脲醛的混合物。他们使用弱酸性催化剂,如磷酸丁酯。保质期约为四个月,常被用于办公室、机构和住宅的家具。预催化漆比硝化纤维素漆具有更好的耐化学性。他们也产生较高的挥发性有机化合物。转化清漆是油基醇类、脲醛和三聚氰胺的混合物。常使用如对甲苯磺酸这样的强酸催化剂,保质期为24到48小时,通常用于橱柜、办公家具和住宅家具。转化清漆是这三种典型的用于木器的溶剂型涂料中性能最好的一种,但也具有较高的挥发性有机化合物和甲醛排放量。

 

水性自交联丙烯酸乳液和聚氨酯(PUD)树脂是木器用溶剂型产品的最佳替代品。丙烯酸乳液具有很好的耐化学性和防粘连性、出色的硬度值,优异的耐用性和耐候性,并改善对非多孔表面的附着力。它们的干燥时间短,使橱柜、家具或建筑产品制造商使用后能更快处理零件。PUDs具有优异的耐磨性、柔韧性和抗划伤性。可与丙烯酸乳液混合使用,以提高漆膜的机械性能。丙烯酸乳液和PUDs均能与多异氰酸酯、多氮丙啶或碳二亚胺等交联化学物质发生反应,以改善2K涂料的性能。

 

水性UV固化涂料已成为木器应用的热门选择。厨柜和家具制造商之所以选择这些涂料,是因为它们具有优异的机械性能、应用性能和极低的溶剂排放。水性UV涂层在固化后,即拥有优异的防粘连性能,使得被涂覆的部件可以直接堆放、包装和运输到生产线下,无需浪费时间等待漆膜提高硬度。水性UV涂层的硬度发展很快,几秒钟内就会出现,它的耐化学性和耐沾污性要优于溶剂型转化清漆。

 

水性UV涂料具有许多固有的优点。虽然100%固含的UV低聚物的粘度通常很高,必须用活性稀释剂进行稀释,但水性UV PUDs的粘度很低,且可用传统的水性增稠剂来调节粘度。水性UV PUDs最初具有较高分子量,由于其固化效果不像100%固含的UV涂料一样显著,因此不会形成分子量。因为它们在固化时几乎没有收缩,所以水性UV PUDs对许多基材都有很好的附着力。使用常规的消光剂便可轻易调节这些涂料的光泽度,这些聚合物既具有硬度,也具有很好的柔韧性,使它们成为木器漆的理想选择。

 

 

水性UV PUD的化学性质

 

水性UV聚氨酯分散体是在聚氨酯分散体主链上(图1)接上UV官能团,通过使一个多元醇和一个UV丙烯酸酯与过量的脂肪族异氰酸酯发生反应,生成预聚物。这些UV PUD可以是聚醚、聚酯和/或聚碳酸酯基,有大量具备不同主链和官能团的UV丙烯酸酯可供选择,UV功能材料的选择和数量会影响涂层的最终交联密度,也有许多涂装方法可供选择,它们也会影响聚合物的最终性能。

 

由于各种原因,我们可对水性UV PUD进行优化。可添加丙烯酸树脂以提高外部耐用性和降低成本,可添加表面活性剂以提高储存稳定性,可添加乳化的UV丙烯酸酯来调节干燥性能。由于不同类型的水性UV树脂具备不同的性能参数,因此我们可以结合各种技术来优化所需的性能。

 

 

实验 – 水性UV室内木器应用

 

我们研究比较了三种水性UV涂料与市售溶剂型转化漆、水性转化漆和水性预催化漆的性能。该项目计划开发高性能水性UV树脂,并研究其在木器应用中的性能。根据厨柜制造商协会(KCMA)、美国木工标准(AWS)和个别家具制造商的规范,对这些涂层进行测试。

 

 

配方

 

本研究中使用的配方见表1。

 

 

样板制备

 

UV涂层

 

在18X18彩色桦木胶合板上喷涂大约3密耳的湿膜厚度,自干10分钟,在50 ℃下强制干燥10分钟,以500 mJ/cm2用水银灯固化,再用3M超细海绵砂进行打磨。然后涂施第二层漆膜,湿膜厚度约为3密耳,自干10分钟,然后在50℃的温度下强制干燥10分钟。以500 mJ/cm2用水银灯固化。试验前应等待7天,试验方法中另有说明的除外。对于边缘浸泡实验,需在4“X4”实木橡木板的所有侧面进行涂料施涂并固化。

 

 

其他涂层

 

在18X18彩色桦木胶合板上喷涂大约3密耳的湿膜厚度,自干10分钟;在50 ℃下强制干燥30分钟。然后涂施第二层漆膜,湿膜厚度约为3密耳。自干10分钟,然后在50℃的温度下强制干燥30分钟。试验前应等待7天,试验方法中另有说明的除外。对于边缘浸泡实验,需在4“X4”实木橡木板的所有侧面进行涂料施涂。

 

本研究所用涂料的VOC含量见表2。

 

 

耐化学/耐沾污

 

在样板上涂上适当的化学品/污渍,以形成直径为0.25至0.5英寸的斑点,用表面玻璃盖住,16-20小时后,除去化学品/污渍并用水清洗样板表面。按0到5对每种化学品/污渍进行评级,0表示漆膜完全破坏,5表示漆膜未受影响(图2)。

 

 

刮杆附着力

 

从每个样板上切下一块4X4英寸的试样。使用BYK平衡刮杆附着力和划痕硬度试验仪,环形划针,配重为5000克。按0到5进行分级,0表示漆膜完全去除,5表示对漆膜不产生影响。

 

 

划痕硬度

 

从每个样板上切下一块4X4英寸的试样。使用BYK平衡刮杆附着力和划痕硬度试验仪进行笔芯压痕测试,5785号笔芯,配重为300克。1小时后对试样进行评估,并按通过/未通过进行等级划分。从24英寸的距离可以看到的任何压痕都被认为是未通过。图3显示了刮杆附着力和笔芯压痕试验的结果。

 

 

耐塑化剂

 

在样板上涂一块2英寸的红色乙烯基方块,每平方英寸施加1/2磅的力,再把样本放在50℃的烤箱里72小时,室温下冷却1小时后取下乙烯基方块。评估其是否产生软化和起泡现象。

 

 

耐印痕

 

样板固化后,等待1小时,然后在饰面上涂抹一块2英寸的10号棉鸭绒布,将2磅/平方英寸的力直接施加到鸭绒布上。等待24小时,然后取下棉布。进行印痕评估。

 

 

耐热印痕

 

样板固化后,等待14天后,然后在饰面上涂抹一块2英寸的10号棉鸭绒布,将1磅/平方英寸的力直接施加到鸭绒布上,再将样品置于60℃的烤箱中烘烤24小时。取下鸭绒布,让样板冷却一小时。进行印痕评估。图4显示了增塑剂、绿印和热印电阻测试的结果。

 

 

耐沸水

 

在样板上施加10毫升的沸水,然后在10毫升沸水上放一个装满开水的陶瓷咖啡杯,1小时后取出杯子,并用纸巾擦拭干净。等待24小时,对其白度进行评估(图5)。

 

 

耐热冷循环

 

从每个样板上切下一个4“X4”的试样。进行循环操作如下:将试样放置在50℃和70%湿度的湿度柜中1小时,取出放置30分钟,使其达到初始室温和湿度。然后,在-10℃的冰柜中放置1小时,拿出并使其达到初始室温和湿度。循环进行五次。

 

 

边缘浸泡

 

将人造海绵放入塑料容器中。将容器调平,并注入洗涤剂溶液(按水的重量加入1% Dawn®洗碗皂)至海绵顶部以下半英寸处。将样板放在海绵上,切面朝下,静置24小时。耐热冷循环和边缘浸泡试验的结果如图6所示。

 

 

讨论

 

所有的水性UV涂料都具有优异的耐化学性。水性转化清漆和溶剂型转化清漆具有很好的耐化学性。水性预催化漆的耐化学性完全可以满足KCMA标准。

 

水性UV 2、WB转化清漆和SB转化清漆具有最好的刮杆附着力。

 

所有涂层均具有优异的划痕硬度、耐塑化剂、耐印痕和热印痕、耐热冷循环和耐边缘浸透性。

 

所有的水性UV涂料都具有优异的耐沸水性能。

 

 

实验 – 水性UV室外木器应用,第1阶段

 

项目的第一阶段是确定最佳的UV技术,并与其他具有优异外部性能的树脂技术相结合,以用于木器,并研究了树脂共混物的硬度发展、防粘连性、耐水性、固化反应和抗QUV性能。用UV吸收剂和受阻胺光稳定剂(HALS)制备了涂料。所有涂层均采用两种不同的光引发剂组合进行测试,在800mJ/cm2下进行固化。用水银灯对仅含α-羟基酮光引发剂的涂层进行固化。用水银灯和含有镓灯对α-羟基酮和酰基氧膦两种光引发剂的涂层进行固化。表3和表4显示了所使用的UV树脂的类型,以及用于本研究的涂料配方。

 

 

硬度发展

 

我们在一块玻璃板上涂覆150微米的涂层,让它自干10分钟,然后在50℃的温度下干燥10分钟。在固化前、固化1小时和3天后测量柯尼格摆杆硬度(图7)。

 

 

固化反应

 

通过比较固化前后C=C键(810cm-1)和C=O键(1730cm-1)的傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)吸收峰值,测量固化反应。C=C键在紫外线照射下进行了反应;C=O键不产生反应。

 

在3B-H Leneta卡纸上进行3密耳的涂层涂覆,使其自干10分钟,然后在50℃下强制干燥10分钟。使用FTIR,我们测量并记录了810cm-1和1730cm-1波数下的IR吸光度。涂层进行固化,然后重新测量并记录810 cm-1和1730 cm-1波数下的IR吸光度,并计算固化百分比(图8):

 

UV固化基团的相对浓度(%)=

1

 

 

耐QUV

 

在白色瓷砖上涂覆4密耳的湿膜厚度,自干10分钟,然后在50℃下强制干燥10分钟,固化,七天后进行抗老化测试。用BYK Gardner积分球色差仪记录了每块瓷砖的CIELab的颜色数据,用BYK Gardner微-TRI光泽仪测定每块瓷砖的60°光泽。瓷砖被放置在装有340 UVA灯泡的QUV柜中,设定为4小时的紫外线照射,然后冷凝4小时。循环运行4000小时后,我们得到了颜色的变化值(delta E)和光泽损失,如图9和10所示。

 

 

讨论

 

所有样板在暴露4000小时后,均显示出良好的耐老化结果,光泽度和颜色变化较小。酰基氧膦光引发剂的加入对涂层性能未产生影响。在第2阶段的测试中,只使用了α-羟基酮光引发剂。由于制作困难,研究中排除了UV 3,而UV 4、UV 5和UV 6由于固化反应和硬度较低,也被排除在研究之外。UV 1、UV 2和UV 7进入第2阶段的测试。

 

 

水性UV室外木器应用,第2阶段

 

在第2阶段,根据美国建筑制造商协会AAMA 653-14《木材和纤维复合基材上有机涂层的自愿性能要求和试验规定》中概述的标准来评估涂层。该规定涵盖了工厂应用于外部环境的涂料标准。2在杨木基材上重复进行了耐QUV实验,采用消泡剂、表面张力改性剂、乳化蜡和增稠剂等对涂料进行了制备,涂料的固体重量由水控制。配方见表5。

 

 

样板制备

 

除非在AAMA 653-14标准中另有规定,否则所有样板的制备方法如下:

 

1. 在一块4 X 6英寸未染色的南黄松板上喷涂约4密耳的湿膜涂层。

2. 自干10分钟。

3. 在50℃的温度下强制干燥10分钟。

4. 以800 mJ/cm2用水银灯进行固化。

5. 用3M超细砂纸打磨。

6. 重复步骤1-4。

 

 

 

结果

 

所有性能的评级按0-5划分,0表示漆膜完全破坏,5表示对漆膜无影响(图11)。我们进行了15次湿度试验箱/冷冻室循环试验,所有涂层均通过实验,无开裂或其他损伤。图12和13显示了涂层的颜色和光泽保持度。

 

 

讨论

 

所有涂层均通过了AAMA 653-14测试,光泽保持度也都很好。

 

参考涂层在QUV颜色保持方面的表现不佳。这些产品通常用于染色或着色底漆的面漆,色漆/底漆为木材提供了UV防护。这项研究检测了一种颜色非常浅的木材表面的透明自封闭面漆,被测样品均具有良好的QUV保色性。

 

 

结论

 

由水性UV树脂制成的涂料是木器应用的理想选择,它们具有很好的耐化学性和机械性能,极低的VOCs,低毒性,是溶剂型涂料产品可行的替代选择。

 

 

 

参考资料:
1 Y.-J. Park et al. Journal of Adhesion Science and Technology 22 (2008) 1401–1423
2 www.aamanet.org

 

 

 

 

 

本文收录于PCI中文版2020年5月刊

 

 

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