2011/5/18
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利用PU树脂解决压痕问题

压痕的产生:

1.水性树脂
    水性树脂在整个涂料产品中占有最大的比重,也是产生压痕的主要原因。当前,水性木器涂料用树脂主要有水性聚氨酯(PU)、水性丙烯酸、水性聚氨酯改性丙烯酸3大类。其中,以丙烯酸类为主,由于其相对于比较便宜,有更好的性价比,较容易为市场接受。但丙烯酸类树脂有“热软冷脆”的特点,尤其是单组分丙烯酸,即便是溶剂型体系,树脂选择不当也会产生严重的粘连问题。尽管不同厂家的水性丙烯酸类树脂会有不同程度的改性,但在水性体系中,该问题依旧严重。引入羟基后的双组分丙烯酸体系因为有化学交联反应,这一缺点有了很大的改善,但在水性体系中,该问题依旧存在,特别是“高温回粘”。相对于丙烯酸涂料而言,聚氨酯涂料没有“高温回粘”的担忧,但水性聚氨酯的成膜过程与溶剂型聚氨酯(PU涂料)的成膜过程完全不同,前者主要是物理堆积成膜,后者是化学交联成膜。成膜过程不同导致二者涂膜性能差别较大。尽管水性聚氨酯没有“高温回粘”的缺点,但其本身涂膜硬度不够高,在生产过程中部件的转移或成品运输过程中仍然容易出现粘连或压痕。因此,在涂膜较厚的家具产品上,无论是水性丙烯酸还是水性聚氨酯都难以胜任。双组分水性丙烯酸由于固化剂的加入改变了其部分成膜结构,使其性能有了很大的提高,但由于其交联密度不高,一般也只能满足一些对抗压痕不太高、不需要长途运输的家具产品,如一些酒店家具。但对抗压痕要求高、需要长途运输的家具则仍力所不及。

2.水分及其他溶剂的残留
    在水性木器涂料干燥过程中,导致其干燥慢的又一个重要原因就是水及少量高沸点溶剂的残留。水性树脂的表干主要是通过水的挥发来实现的,但还与水性树脂本身的结构有关。如在同样条件下,同等固体含量的水性树脂其干燥(表干和实干)速度不同就能说明这一点。水性树脂是通过乳化剂或亲水基团的嫁接把本来疏水的高分子树脂分散在水中的。由于前者在外观、消泡性等方面有一定缺陷,目前,市面上较多的水性树脂是通过后种方法制作的。不同的亲水方式及不同的亲水基团对水及其他少量溶剂的释放性不同,导致了不同方法合成的水性树脂干燥(表干和实干)速度不同。这也表明技术方法可以缩短水性树脂的干燥时间。市面上已经有一些干燥较快的水性树脂也证实了这一点。在水性木器涂料的制作时,为了保证常温或较低温度下能很好成膜,还必须添加一些成膜助剂,尤其是一些Tg高的丙烯酸树脂,成膜助剂添加量可能需5%以上。在成膜性试验中,尽管不同树脂对成膜助剂具有一定的选择性,但一般来讲,成膜性好的成膜助剂往往都有较高的沸点,这些成膜助剂的沸点往往远高于水,其与水的混合溶剂在涂膜中短期内难以完全挥发,影响涂膜硬度上升。尤其是具有一定增塑效果的成膜助剂,如乳胶漆中常用的Texanal,其在较长的一段时间内都会影响涂膜的硬度上升。另一方面,为了防止水性木器涂料在储存运输过程中冻坏,还必须添加少量的防冻剂,如丙二醇。这些溶剂的存在也会影响涂膜的干燥速度,甚至是最终硬度。

2.2水性固化剂
    水性固化剂能大大改善双组分水性木器涂料涂膜的综合性能,其成为压痕问题的重要原因主要表现在其影响涂膜的干燥时间。目前,水性固化剂主要以水可稀释的水性异氰酸酯为主,主要有HDI和IPDI两种类型。在溶剂型体系中,这两类固化剂都因其有很好的耐黄变性,而被广泛应用于户外建筑涂料或耐黄变型木器涂料中。但由于其固化速度相对于TDI类固化剂慢很多,用于木器涂料时一般会拼入一些TDI类固化剂以加快干燥速度并降低成本。而在水性体系中,因TDI类固化剂与水反应速度较快而难以被应用。这就注定了这种双组分水性体系的固化过程是较慢的。还有一点不同的是,在溶剂型PU体系中,如果含—OH组分没有固化剂或固化剂不够,涂膜会不干或慢干。而在水性体系中,水性树脂—OH含量一般都比较低,甚至不含—OH。因此,很多双组分水性树脂本身可以干燥,并且比加固化剂后的体系快。因此,固化剂的加入反而降低了涂膜的干燥速度。

压痕的解决方法:
   在常用的解决方法中,除了树脂的选择和固化剂的搭配是从涂层的主要成膜物着手外,粉体和蜡浆等方法都是从辅助成膜物着手,不能从根本上解决问题。要想从根本上解决这个问题,还必须从涂膜的主要成膜结构入手。在压痕问题的分析中,我们已得知该问题产生的三个根本原因。其中,最主要的原因是水性树脂的选择、水及少量高沸点溶剂的残留,而水性固化剂方面我们改变的空间十分有限。显然,在水性清漆体系中,固化剂的引入改变了涂膜的化学结构,从而大大改善了涂膜的综合性能。除了固化剂外,还有一种改变涂膜结构的方法就是引入水性UV树脂。我们知道UV涂料具有硬度高、固化快、涂层刚性强的特点,水性UV树脂也有类似的性质。试验表明,在双组分水性清漆体系中加入一定的水性UV树脂,使之成膜过程具有异氰酸酯和紫外光双重固化交联,可以大大提高双组分清漆涂膜的硬度、抗粘连、抗压痕等性能。在硬度测试中,这种双固化涂层在木板上的硬度可达2H(中华铅笔),超过常用的普通溶剂型PU树脂硬度H(平衡试验比较);在60℃、6h抗压痕测试中,其抗压痕与常用的普通溶剂PU树脂相当。说明这种双固化涂层可以满足家具在生产及长途运输过程中的抗粘连、抗压痕要求.

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