水性聚氨酯橘纹漆性能影响因素研究

2020-06-30

0 前 言

橘纹漆是美术涂料的一种,这种特殊的纹理装饰效果广泛应用于数控机床、大型机械设备、通风柜、电气设备上。橘纹形成的原理主要是利用表面张力效应,加入橘纹助剂促进橘纹的形成。由于橘纹助剂的表面张力极低,在涂膜扩展过程中,橘纹助剂转移至涂膜表面,凹陷处表面张力更低,凸起处表面张力更高,涂料从凹陷处被拉至隆起处,因而凹凸更明显,立体感更强。随着时间延长,涂膜干燥形成橘纹。

目前数控机床、机械设备、电气设备行业市场上用溶剂型涂料为主,随着国家对环境污染重视程度的逐步提高,橘纹漆产品水性化需求已迫在眉睫。水性双组分橘纹漆作为市场环境友好型产品对比同类溶剂型涂料存在以下技术难点:厚涂易起痱子、干燥过程中花型塌陷严重、喷涂易飞溅等。本实验通过调整成膜物、橘纹助剂、颜料体积浓度(PVC)、增稠剂等影响因素,完善配方,解决了应用难点,使其成为具有耐化学腐蚀性好、施工简单、橘纹立体效果好、满足市场需求的水性聚氨酯橘纹漆。

1 实验部分

1.1 实验原料

羟基丙烯酸分散体,A:科思创2457B:中海油6013CDIC 551D:帝斯曼540;异氰酸酯固化剂,A:科思创2655BDIC 5500C:科思创401-70;助溶剂,美国DOW;分散剂,德国BYK;橘纹助剂,水性橘纹助剂,A:广州绿宝PT-06B:扬州立达LD-81C:广州柏野DRL-7620D:上海锐洲RZ608;消泡剂,德国BYK;增稠剂,A:上海海名斯–德谦350DB:上海海名斯–德谦HX1080C:上海海名斯–德谦WT-102;去离子水。

1.2 实验仪器设备

实验室砂磨机QSM-Ⅱ,天津永利达设备有限公司;高速分散器,上海普申化工机械设备有限公司;50μm刮板细度计,天津市材料试验机厂;涂膜冲击器,BGD 302,广州标格达实验室仪器用品有限公司;热贮存干燥箱,TIK,上海普申化工机械有限公司;盐雾箱,CCT-600LQ-Lab;氙灯老化试验箱,SHK-B203,苏州检卓仪器科技有限公司;涂膜划格器,QFH;铅笔硬度计,杭州五佳机械设备厂;电热恒温干燥箱,202-0S,绍兴市苏珀仪器有限公司;大口径上下壶喷漆枪,W-77,日本岩田;其他。

1.3 基础配方

具体参考配方见表1

1.4 制备工艺

1.4.1 A组分制备

将成膜物、水、助剂、颜填料、成膜助剂、橘纹助剂、增稠剂加入配料罐搅拌均匀。研磨至细度≤20μm,增稠剂调节至适合黏度即为A组分。

1.4.2 B组分制备

异氰酸酯固化剂为B组分。

1.5 性能检测标准及结果

按照HG/T 47612014对涂料和涂膜进行性能检测,具体检测结果见表2

2 结果与讨论

2.1 成膜物的选择对橘纹漆的影响

2.1.1 成膜物对橘纹漆耐候性的影响

由于橘纹漆主要应用于数控机床、大型机械设备、通风柜、电气设备等,对树脂(分散体)、耐化学品性、机械性能、耐候性能有较高要求,筛选出适合水性橘纹漆的成膜物成为制备水性橘纹漆的重中之重。本实验选用5种不同的羟基丙烯酸树脂,参数如表3所示。

由表3可知,分散体A的固含量最高,分散体C的固含量最低。分散体A的—OH含量最低,分散体D的—OH含量最高。对4种分散体进行制漆,以此4种分散体为成膜物,用相同的颜填料、助剂以同种比例制漆。均以同种固化剂按n(OH)n(NCO)11.5进行配漆喷板,均以表干30 min后烘干80 ℃、30 min为干燥条件,进行制板,完全干燥后取膜厚为4050μm的样板进行机械性能、耐性检测,结果如表4所示。

由表4可知,分散体ABCD硬度均满足要求,其中分散体BC硬度略大;分散体A耐化学品性能不能满足客户需求,BCD均能满足需求,其中分散体D耐化学品性能最好;分散体A耐候性最差,不能满足客户需求,BCD耐候性能可以满足需求,其中分散体D耐候性能最好。分散体A由于—OH含量较低,涂膜交联密度不够致密,耐化学品性能较差,不能用于本次实验;故最终选用了BCD 3款分散体进行进一步筛选。

2.1.2 成膜物对橘纹漆厚涂性能的影响

由于本实验研究的水性涂料为橘纹漆,涂膜存在凹凸不平的情况,如果分散体的厚涂性较差,涂膜凸点会出现起“痱子”等不良状态。由此实验对BCD 3种分散体进行了厚涂性检测,结果如表5所示。

由表5可知,分散体CD的厚涂性远好于分散体B。由于成膜物选择应综合考虑成本、耐性厚涂性、适用期等诸多方面因素,此外应注意树脂的羟基含量,若羟基含量过大也会很大程度上提升成本。根据这个思路,淘汰了分散体D,选用具有厚涂性良好、耐化学品性能优良的水性羟基丙烯酸分散体C作为制漆成膜物,解决了厚涂性差的问题。

2.2 橘纹助剂对橘纹效果的影响

2.2.1 橘纹助剂的种类对橘纹效果的影响

橘纹形成机理一般可以用贝纳尔德旋涡作用理论进行解释,通过加入橘纹助剂促进涂膜表面橘纹形成,溶剂蒸发不平衡,使涂膜产生固含量和温度分布不均一而引起表面张力差和密度差驱动的流动,从而形成多个中间低四周高的不规则旋涡。随着涂膜干燥溶剂挥发,进一步形成中间低四周高的小圆,由于黏度高固定下来形成蜂窝状或类蜂窝状结构,因此形成橘纹图案(见图1)

目前市场上水性橘纹助剂一般为高分子量的聚硅氧烷溶液。在固定橘纹助剂加量情况下,用分散体C制备的水性涂料,筛选目前市场常见的4个水性橘纹助剂,具体涂膜效果如表6所示。

由表6可以看出,加入橘纹助剂A的涂膜表观为缩孔、露底;而加入橘纹助剂B的橘纹效果不明显,立体效果差都不符合要求,这是由于水性橘纹助剂与羟基丙烯酸分散体不配套导致的适用性不好。通过结果可知,橘纹助剂CD基本满足要求。

由于聚硅氧烷溶液水溶性较差,在水性涂料中长时间贮存可能存在失效的风险,所以对橘纹助剂CD分别制漆(涂料C、涂料D)进行7 d贮存稳定性测试,并再次喷板观察涂膜表观。由表6可以看出,涂料C贮存稳定性较差,贮存后喷涂涂膜表观不理想,故最终选用橘纹助剂D作为本实验的橘纹助剂。

2.2.2 橘纹助剂的加量对橘纹效果的影响

在选定橘纹助剂D为本次水性橘纹助剂基础上,进一步考察了橘纹助剂加量对涂膜橘纹效果的影响,具体结果如表7所示。

由表7可以看出,1#涂膜表面出现缩孔,根本没有形成橘纹;2#涂膜花纹适合,略大;3#涂膜花纹适合,略小;4#涂膜花纹过小。这主要是因为当橘纹助剂加量太少时,单位面积内的助剂太少,表面张力不能起到有效的互相牵制作用;随着助剂量的增加,单位面积内的橘纹助剂互相牵制力越大,橘纹变得立体,效果越来越好;当单位面积内橘纹助剂量达到一定程度时,橘纹又开始变小不清晰,如表7所示,橘纹助剂加量在1.0%1.5%均符合客户需求。

2.3 增稠剂对橘纹效果的影响

橘纹漆的增稠剂对橘纹漆的花型、立体效果影响很大。在固定基础配方及黏度基础上,考察了高(A)、中(B)、低(C)剪切力3款不同增稠剂对涂膜橘纹效果的影响,结果如表8所示。

由表8可以看出:增稠剂A橘纹很小,增稠剂BC涂膜纹理清晰,立体感强。增稠剂A由于喷涂过程中剪切力对黏度影响较少,涂膜所经历的应力变化较少,导致涂膜表面平整,橘纹很小;而增稠剂BC喷涂过程中涂膜所经历的应力变化较大,所以纹路效果较好。由于使用增稠剂C存在喷漆易飞溅、适用期内黏度上升快等不良现象,最终选用中剪切力增稠剂B作为本实验的增稠剂。

2.4 颜料体积浓度(PVC)对橘纹效果及贮存性的影响

颜料体积浓度(PVC)是指涂料中颜料和填料的体积与配方中所有非挥发分的总体积比。水性橘纹漆的PVC对橘纹效果、贮存均有一定影响,在固定基础配方及黏度基础上,考察了不同PVC对涂膜橘纹效果、贮存稳定性、适用期的影响,结果如表9所示。

如表9所示,PVC25%以下时橘纹很小,立体感差;PVC55%以上时,水性涂料涂膜纹理模糊不匀,热储差。由此可见,水性橘纹漆颜料体积浓度对涂膜定型、涂膜的立体感影响较大。在橘纹漆中,羟基丙烯酸分散体在涂料中起包裹作用,PVC越小,颜填料的润湿越好,在凹点橘纹助剂周围形成的低表面张力越大,即影响贝纳尔德旋涡形成的力越明显,单位涂料液中颜填料颗粒较少,颜填料颗粒的重力、颗粒与颗粒之间的相互作用力等外界干扰力越小。从实验中发现,PVC小于25%时,刚喷涂得到湿膜橘纹效果良好,立体感也很强,但是随着涂膜干燥,橘纹凸点逐渐塌陷,立体效果逐渐消失。这是由于PVC太低,在水性涂料中起骨架作用的颜填料太少,不能起到定型作用,涂膜(湿膜)表面形成的橘纹纹理会随着涂膜干燥而使橘纹不断变小塌陷,最终导致涂膜立体感变差,橘纹变小影响涂膜定型。PVC55%以上时,涂膜出现不良现象的原因为PVC超过CPVC(临界颜料体积浓度),由于水性涂料中基料的含量不足,不能充分地润湿所有颜填料,这部分颜填料会吸附橘纹助剂,从而削弱涂膜表面张力,而且单位涂料液中颜填料颗粒密度的变大,会使涂膜的重力及剪切力变大,与涂膜凸点的表面张力形成相反作用力,从而削弱橘纹助剂对涂膜(湿膜)的作用力,削弱贝纳尔德旋涡作用,使纹理模糊不均匀。此外PVC过大还会影响产品贮存及使用适用期,因此最终选定PVC35%45%为宜。

3 结 语

(1)本实验通过筛选得到耐化学品性好、厚涂性好、适用期长的成膜物质水性羟基丙烯酸分散体DIC551,达到市场需求,解决了厚涂易起痱子的问题。

(2)选用上海锐洲橘纹助剂RZ608,用量在1.0%1.5%(质量分数)时可达到较好的橘纹效果。

(3)选用国产中剪切力增稠剂可使涂膜纹理清晰、立体感强,涂膜纹理更加均匀。

(4)控制原涂料颜料体积浓度PVC35%45%可以极大地提高涂膜纹理清晰度及立体效果。

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