耐候与低表面处理木器漆用新型粘合剂

作者 M. Secher, A. Fream、C. Baude, N. Martins, OMNOVA 解决方案公司，合作方：昕特玛公司、Functional解决方案公司，法国

介绍
木器涂料

用于木材装饰的涂料（用于覆盖表面之间过渡或装饰木材）在木器漆市场中占有很大份额。过去十年，由于环境保护和其他立法的缘故，大多数建筑或装饰涂料应用已经从溶剂型转向了水性。从环境、毒理学和健康角度来看，使水性涂料具有吸引力的特性，即它们含有水，但这也是水性涂料技术存在许多问题的主要原因，也阻碍了对传统溶剂型涂料的替代。尽管VOC法规和环境标签越来越严格，但溶剂型仍被允许使用，因为目前人们普遍认为，市场上没有出现可完全接受的替代品。当然，木器漆的情况也是如此，尤其是在户外应用方面。
与现代木器涂料相关的关键词是：美观、保护和功能性。从物理和化学的角度来看，木材是一种复杂的基质 ¹ 。木材会因吸水/解吸而“迁移”，因此涂层必须能抵抗外部物理、化学和生物性的影响，以保持长期的使用寿命，并能够延长翻新周期。

简言之，木材的涂层体系必须能抵抗住潮湿、颗粒裂纹和剥落、起泡、浸渍、紫外线照射等。对于装饰漆，附加要求还包括：易用性、光泽度和流平性、抗粘连性以及在低VOC水平下配制的能力等等。

低表面处理与耐候涂料

低表面处理在金属保护涂层领域 ² ，是一个众所周知的概念，它已经在市场上出现了很多年，但在其他基材上并不多见。

这种涂层的主要特点之一是与表面处理不理想的表面具有较好的附着力。有许多原因可以解释为何有人想在不太理想的表面清洁条件下涂覆涂层，例如，正确地处理表面可能非常困难或昂贵。对于木器漆，低表面处理在翻新时是很重要的，因为表面可能会涂有旧漆层，或旧漆已被清除的新打磨表面。

耐候性（“所有天气适用涂料”）

现在，大多数水性涂料都是基于聚合物分散体的，其中水作为分散介质和溶剂，通过成膜过程干燥。因此，控制应用、干燥和成膜条件是很重要的。这方面的重要参数包括温度、相对湿度和通风。
为了应用成功，大多数涂料制造商的共识是，水性涂料在相对湿度（RH）和温度方面的应用范围是有限的：相对湿度在40%到60%之间，温度在10-40°C之间。实际上，由于天气经常是不可预测的，为了使户外用涂料的应用期限不局限于少数的“理想”天，这个范围通常会有所扩大。
扩大应用范围（雨天、寒冷天气）可以使涂覆更加方便和灵活，节省时间，并提供更好的使用成本。

聚合物设计 - 技术方法

通过对文献的回顾可知，目前聚合物开发化学家的普遍共识是，具有非均匀形态的多相聚合物颗粒是目前实现硬度/抗粘接性能/耐沾污和在低VOC水平下成膜（使用最少成膜溶剂）等矛盾要求的最佳，且唯一可行的方法。

这种多相颗粒是通过使用至少两种不同的单体混合物（通常具有显著不同的Tg）按顺序或部分与聚合反应器平行地进料的过程来产生的。乳液聚合反应过程中的热力学和动力学因素决定了所得聚合物颗粒的形态，上述过程的好处在于，它产生了结构化聚合物颗粒，其中高Tg值提供了硬度和抗粘接性能，而低Tg值有助于较好的成膜和较好的柔韧性。
该新型聚合物采用了非均相、多相丙烯酸乳液聚合工艺，使硬、软聚合物相共存。正是这种二元性，加之纯丙烯酸成分，才得以克服柔韧性和硬度的矛盾限制，以及为木器涂料配方的粘合剂提供了所需的耐水性和耐候性。

为了进一步提高性能，该新型粘合剂的开发利用了我们目前成熟的EBS技术所积累的十多年的经验，它主要用于室外砌体应用 ^7-8 ，可确保在不太理想的干燥条件下形成较好的漆膜。我们的目标是将已证明的性能在更复杂的基材进行验证，如木材等，并为配方设计人员提供更多的选择，以适应不断变化的天气模式。

新粘合剂 - Hydro PLIOLITE 330

已开发和推出的这款新型粘合剂是一种多相型纯丙烯酸乳液，商品名为Hydro PLIOLITE 330。该乳液的物理性能总结如表1所示：

在约23.5%PVC的光泽涂料配方中对乳液进行测试，如表2所示。

实验 - 测试方法

在接下来的所有试验中，我们将用Hydro PLIOLITE 330配制的试验性光泽涂料与许多市售水性涂料以及欧洲市场上可买到的具有类似光泽水平的溶剂型涂料进行了比较。表3总结了这些商用涂料的特性。

颗粒抗裂性

在半块山毛榉木板上涂两层溶剂型醇酸漆，并在50°C下干燥5天。用刷子在面板的所有表面涂上两层木饰漆，并在23°C/50%相对湿度下干燥24小时。然后，在以下条件下对样板进行20次循环放置：室温下4h，50°C下3h，水中浸泡1h，-20°C下16小时。在每个周期之后，记录样板重量和漆膜外观的变化。

抗粘连性

在黑色PVC Leneta面板上用鸟型涂布器涂上150um的湿膜层 。 随 着 干 燥 时 间 （ 1 天 或 1 周 ） 和 干 燥 条 件（23°C/50%RH或5°C/90%RH）的变化干燥涂层后，从面板上切下2 cm长的条带，然后在23°C或50°C下施加24小时直接接触125g/cm² 的压力。

当样品被拉开时，评估涂料的抗粘连性。抗粘连性结果标记为从0（差）到10（优秀）的等级，并记录去除涂料的百分比。结果为5次试验的平均值。

淋水试验（早期防水）

在样板上涂覆两层溶剂型醇酸涂料，并在50°C下干燥5天。样板下部用砂纸打磨（180#粗砂饰面砂纸）。测试前，将样板在5°C和90%相对湿度下储存24小时。用刷子将木器饰面漆以130g/m² 进行涂覆，并在5°C-90%相对湿度下按照以下时间干燥：90分钟/60分钟/45分钟。然后，对新涂刷的样板进行3分钟大流量喷水实验（6升/分钟），再对涂层进行目视评估和评级。(图1）

自然老化 - 根据EN 927-3进行户外暴露

用刷子以130g/m 2 的量在杉木板的正面和侧面涂上两层木饰漆。以高固体分溶剂型醇酸漆对木材尾齿进行封闭。在23°C下干燥7天后，用分光光度计测量初始L * 、a * 、b * 和光泽。然后，在法国的Villejust（巴黎地区），以45°的角度朝南对面板进行12个月的暴露。

结果与讨论
颗粒抗裂性

本试验采用“加热-浸泡-冷冻-融解”循环模式，旨在评估涂层在温度和湿度波动下易发生尺寸变化的保护户外木材的能力，也可以对半涂漆面板上的漆膜性能进行评估（模拟有限的表面处理）。（表4）

市售涂料wb1在6次循环后出现裂缝，这可能表明漆膜缺乏弹性，这将对长期耐久性产生负面影响。除了在20个循环后失效的市售sb2，所有其他配方均通过了抗裂试验，这表明它们具有预期的柔韧性和耐水性，能够在这些关键老化条件下支持木材变形。

抗粘连性

目的是评估涂料在“标准”和不利干燥条件下干燥后的抗粘连性能。虽然配方师经常强调50°C下的抗粘连性是“必须具备的”，但在寒冷潮湿的天气下干燥后该性能显然很难达到。
干燥一周后，所有配方在23°C下都表现出较好的抗粘连性。然而，当干燥时间缩短到24小时时，大多数市售产品的耐热性就很难获得。在不利的气候条件下，只有市售wb2和用Hydro PLIOLITE 330制成的试验配方FPS701表现出很好的抗粘连性能。（表5）

淋水试验（早期防水）

本试验的目的是评估涂料在恶劣天气条件（低温/高湿度）下的干燥能力，以及在使用不久后的抗雨水能力。（表6）

即使溶剂型醇酸漆没有被水除去，这个关键的测试表明，他们在干燥的早期阶段也受到了水的影响。除了氧化干燥过程中可能出现的漆膜缺陷外，市售溶剂型涂料由于水滴残留在油漆表面而出现了视觉缺陷，如图2所示。

至于市售水性涂料，即使在低温下干燥90分钟，淋雨也会损坏它们。市售wb3在测试后似乎受到了较少的损坏，但实际上出现了微裂纹，表明成膜不良。这可能是由于不完全的成膜造成的，以及在淋水阶段对漆膜进行冲洗，可能使漆膜内没有了确保水蒸发后保证漆膜可以很好成形的足够的成膜物质。与市售水性涂料相比，这两种候选乳胶都具有优异的早期耐水性。在临界低温和潮湿条件下干燥时，基于Hydro PLIOLITE 330的FPS701涂料的性能接近溶剂型市售涂料。

自然老化

在木器涂料中，除了抗粘连性外，耐沾污性也是需要与漆膜柔韧性相平衡的另一个关键性能：室外暴露下的自然风化是评估该性能的最好方法。下图3显示了与市售水性和溶剂性涂料相比，使用Hydro PLIOLITE 330（FPS701）配制的涂料的ΔE * （总颜色变化）的演变。

除了在前6个月内ΔE * 增长很快的市售wb2外，就保色性、耐沾污性和抗裂性而言，所有涂料都表现出较好的户外耐久性。Hydro-PLIOLITE 330光泽涂料配方FPS701显示出非常好的耐久性，它除了轻微的污渍外，没有其他缺陷。

结论

以一种非均相丙烯酸聚合物结构为基础，我们设计了一款新型的水性木器装饰涂料粘合剂——Hydro PLIOLITE330。它出色地结合了柔韧性和耐粘连性，同时可以使配方具有低VOC含量，符合最严格的法规要求。
此外，利用OMNOVA Solutions专有的EBS技术所积累的多年经验，成功地整合了耐候和低表面处理涂层的其他性能。
现已开发出新的测试方法来证明该技术的优点：与传统的水性木饰漆相比，在低温和高相对湿度条件下进行干燥时，漆膜的早期耐水性和抗粘连性也显著提高了。
粘合剂出色的附着力（残留醇酸漆、未处理木材）、柔韧性和耐候性，可长期保护木器基材。
新型Hydro PLIOLITE 330粘合剂最大限度地减少了与水性木饰漆应用相关的许多常见问题，特别是与应用和干燥阶段的天气条件和表面处理有关的问题。
这项技术为“所有天气适用”的水性涂料提供了新的性能水平。

参考资料

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