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介休宁波舟山厂家:水性木器漆的若干问题以及如何破局

日期:2018-09-27 / 文章来源:

宁波舟山厂家:水性木器漆的若干问题
摘要:叙述了水性木器漆的发展,与溶剂漆比较存在的优点与不足之处。重点讨论配方设计和研展中涉及的乳液稳定性、Tg、MFFT、VOC、成膜助剂、消泡、抗粘连性以及性能与价格比等问题。关键词:水性木器漆;稳定性;玻璃化温度;最低成膜温度
1水性木器漆的崛起1.1环保催生了水性漆科学技术的发展给人类生活带来了巨大的变化,同时带来了许许多多的新产品。涂料工业的变化正是这一发展的缩影。在水性漆出现之前,涂料产品是以有机溶剂为基础的,它渗入到人类生活的各个角落。随着人们环保意识的提高,研究者和生产厂商认识到溶剂型涂料中有机挥发物(VOC),是“人类生态环境的杀手”,涂料中的VOC排放和重金属迁移正在威胁着人类自身的安全。在这一背景下,水性涂料产品应运而生。
水性木器漆是继乳胶漆后又一个与建筑涂料相关的新产品,在产品性能和成本方面,一些水性木器漆已经接近或达到了相应溶剂型漆的水平,这为它进入市场提供了有力的基础。1.2新的环保法规对于木器、竹器和藤器的装饰与保护,要求在室温下固化水性木器漆,这是木器漆的发展方向。
同时,工业漆的水性化也已成为近来涂料研究的重点。2002年1月,国家颁布了新的室内装饰装修材料有害物质限量标准,对传统的溶剂型涂料中VOC和游离TDI限量作了规定,这将迫使涂料企业采用新的技术或开发水性涂料。
1.3新的趋势随着水性木器漆性能的提高,它将逐渐取代传统溶剂型漆和发展新的市场,这在国外的销售量增长很大。例如欧洲、美国和加拿大等发达国家,水性木器漆销售量已占据整个木器漆市场的10%。在欧洲国家,水性色漆和透明罩面漆的用量已占到40%,水性漆在木地板涂料上的应用以北欧地区最为普遍,已达地板涂料的80%。作为典型的自己动手涂料(DIY),水性木器漆在未来几年,预计年增长率可达7%以上。
在欧洲工业木器漆市场上,水性漆所占的比例为7%,相对较小,但发展空间较大。目前,水性木器漆最大的市场是在室内装修木器涂料方面。2000年,我国的水性木器漆只占木器涂料的0.4%;但是,从2001年起我国开发、试产水性木器漆的企业如雨后春笋般地涌出,已成为木器漆的新热点。

2水性木器漆的缺陷

宁波舟山厂家:水性木器漆的若干问题以及如何破局

2.1性能的局限与溶剂型涂料的分子级成膜机理不同,水性涂料的成膜经历了乳胶粒子的聚集、压缩融合和结膜三个过程。在融合和结膜阶段,助溶剂对形成均匀的涂膜起了关键作用。过程不完善往往导致漆膜的缺陷。此外,水分的挥发以及漆膜中水分与大气中水分的平衡也影响漆膜的性能。因此,与相同或相似分子结构溶剂型涂料相比,水性涂膜难以超过其性能。例如,聚氨酯水性木器漆在1000g/1000r下的磨耗达40mg~90mg,而溶剂型聚氨酯很容易做到30mg以下;水性木器漆的固含量难以做得很高,导致漆膜丰满度低,而溶剂型涂料易于做到固含量高,丰满度高的效果。一个好的水性漆能够做到综合性能接近类似的溶剂型漆已属不易,要想超过溶剂型漆几乎是不可能的。但水性漆的环保性能绝对优于溶剂型漆。
2.2尚难用做高档家具漆水性木器漆在家庭装修及普通家具上已经获得了成功的应用,并正在扩大其市场占有率。然而,在油性聚氨酯漆控制的高档家具漆市场上,水性漆尚难有所作为。高档家具漆要求有很高的丰满度、耐磨性、硬度和极好的手感。这些都是水性木器漆进一步研究的难点。
2.3热力学亚稳定体系水性木器漆一般由聚合物乳液制成。通常水包油乳液液滴的直径在0.1μm~10μm,对可见光反射性强,呈乳白色;而粒径更小的微乳液液滴尺寸为10nm,外观为透明或半透明的。微乳液的稳定性好于一般乳液。从热力学的观点看,它们都是亚稳定体系,在高剪切力、高低温或强电解质作用下易于絮凝,若配方不合理还可能加速不稳定。因此,水性木器漆的贮存稳定性比溶剂型油性漆差。
2.4组分与变化为了兼顾各方面的性能,使之达到平衡,在水性木器漆中不得不添加多种助剂调节。水性木器漆是一个多组分的复杂混合体系,任何一个组分的失效将会使性能平衡受损,产生产品缺陷,严重的还会改变漆的可用性。例如,消泡剂长期贮存后的失效,使涂装效果变得不能接受;某些助剂在漆中上浮或不均匀分布使得涂装效果不稳定。总之,水性漆是一个组分多易变化的复杂体系,必须全面考虑。
2.5适用性根据目前水性木器漆性能水平,再考虑到应用效果与施工环境密切相关,单一的水性木器漆产品尚难以满足所有用户的需要。我国地域辽阔,环境、气候、温差、湿度相差很远,不可能以一两种水性木器漆包揽天下,也不可能靠几个所谓“国外配方”解决中国水性木器漆的所有问题。必须根据中国的国情、中国地域环境的差异,开发出一系列的水性木器漆及其配套产品,性能各有侧重,以满足不同客户要求、不同地域、不同环境之需。3水性木器漆的平衡3.1热力学稳定性
3.1.1乳液。实际上,乳液是一种球形粒子(液滴)分散在另一种连续液相中构成的两相体系。在一定的容积中,对于等径球最紧密堆积情况,有两种堆积方式:密排六方和面心立方见图1所示。图1等径球的两种最紧密堆积方式两种最紧密堆积球所占的体积分数相同,都是0.7405。理想的立方堆积时,可达0.524,而等径球的随机堆积密度介于其间。对两种直径相差较大的球紧密堆积,体积分数还会更高。如果乳液中的分散相与此类似的话,乳液固含量可以做到74%,至少为52%。但事实上,水性木器漆乳液固含量都很低,高的不超过45%,低的仅为28%左右。如果固含量增加,乳液的稳定性将变差,这会造成制备和贮存时容易产生相反转、絮凝、聚结和破乳现象,难以保证水性漆质量。其原因有两点:一是水性木器漆所用乳液的聚合物分散相粒子表面,有聚合物链端的离子基团(例如—COOH或—OH),以及可能吸附在乳胶粒子表面上的乳化剂在一定的pH值下以离子形式存在,从而形成了双电层。双电层增大了乳液粒子的粒径,降低了乳液粒子的浓度,减少了有效的固含量。过于紧密的堆积会使双电层结构破坏,最终使得乳液破乳;另一个原因是固含量太高时,乳液粘度大,不利于制漆和涂装施工。对稀的乳液而言,乳液粒子的体积分类与体系粘度η的关系遵从Einstein公式:η/η0=1+2.5
(1)式中η0为连续相水的粘度。当较大时,即固含量高时,乳液呈非牛顿流体,这时乳液粘度公式为幂级数形η/η0=1+2.5+b2+c3+......
(2)b,c为修正系数。由此可见,乳液的粘度随固含量的增大迅速增大。影响乳液粒子稳定的因素有:
①粒子表面的电荷,同性电荷相斥使乳液粒子稳定,相反则导致凝聚;②乳液粒子间的范德华力使其易于聚集;
③界面张力,粒子与分散相的界面张力越大,乳液越不稳定;
④空间位阻,乳液粒子表面吸附或接枝的大分子链的空间构型阻碍粒子的聚结;
⑤溶剂或助溶剂吸附在乳液粒子表面形成溶剂化层,从而阻挡粒子相互接近,增大了乳液的稳定性。
3.1.2添加剂。由于水性木器漆的热力学特点,容易受到外来物质的影响,因此对添加剂及其用量要求较高,配方中的各种添加剂应该越少越好,以免影响漆的稳定性,特别对一些能改变pH值的添加剂,更要小心对待。乳液pH值的变化直接关系到乳液的稳定两种不同的玻璃化温度聚合物的共混改性。共混乳液在两种乳液粒子亲和性好时,其玻璃化温度的变化规律与此相同;亲和性不好,则有可能仍是两个Tg,实际上这种乳液混合物低温成膜性往往较差,与聚合物的混合不同,乳液混合是非分子级的,玻璃化温度的均化作用较差。有时仍会出现高玻璃化温度的乳液成膜不好的现象。
此外,两种乳液的相容性不良,会使制成的漆分层,这采用接枝共聚的方法可以改善两种不同Tg聚合物的相容性,从而达到降低成膜温度又不会显著减小漆膜硬度的目的。最好的方法是制成核壳结构的乳液,软、硬聚合物结合形成软芯/硬壳或硬芯/软壳的形式。这样将高低Tg聚合物结合的方式有最好的硬度和低温成膜性平衡。特别是硬芯/软壳的核壳结构乳液,当二者比例恰当时,漆膜硬度可以明显提高,但成膜温度仍很低3.3VOC与成膜性溶剂型漆是聚合物在分子状态下成膜,漆的均匀性、致密性好,而水乳型漆成膜经历了水分挥发、乳液粒子聚集、粒子压缩、在成膜助剂作用下融合、再形成漆膜的过程。
成膜助剂在融合乳液粒子时起到十分重要的作用,特别在施工温度低于Tg时,没有成膜助剂的存在不能成膜。成膜助剂的用量直接影响到漆的MFFT,但并非正比关系,开始时影响较大,再多加影响越来越小,到一定用量以后MFFT几乎不再降低如(图2)所示,因此要控制好成膜助剂的用量。图2成膜助剂用量对MFFT的影响成膜助剂是水性漆中VOC的最大提供源,要做到降低VOC,首先要减少成膜助剂的用量,只要能达到特定的施工温度,成膜助剂用量越少越好。
3.4成膜助剂与抗粘连性成膜助剂的加入保证了水性木器漆低温施工的可靠性,这在冬季施工十分重要。成膜助剂最终是要挥发掉的,但是,由于成膜助剂沸点较高,挥发很慢,残留期间使得漆膜抗粘连性极差,这种弊病往往要持续很长时间才能消失。因此,在确保低温成膜可靠性的前提下,要选择挥发快、用量少的成膜助剂品种。
3.5消泡与流平的平衡水性木器漆的消泡与流平是一对矛盾,往往顾此失彼。一个好的消泡剂,不仅在产品出厂时有良好的抑泡和消泡作用,而且要有长效性,能保证漆液贮存一年半载依然有良好的消泡效果。消泡剂还要能保证对体系有较大的宽容性,不会因稍多或稍少而引起消泡作用的很大变化。然而,大多数消泡剂在用量过高时,会使漆膜产生缩孔,为了消除缩孔,必须借助流平剂,流平剂的加入又会降低消泡效果,特别是降低了消泡剂的长效性。只有二者在种类和用量上的合理搭配,才能保证水性木器漆涂装时既有良好的流动流平性,又不会产生气泡。
3.6性能与价格现今市场上水性木器漆的价格偏高,其综合性能与相似溶剂型漆相比还有一定差距,这种性能/价格比的不合理直接妨碍了水性木器漆的发展,也是水性木器漆在家庭装修市场上难以大规模普及的主要障碍之一。水性木器漆的成本主要决定于乳液和水分散体的价格。
就丙烯酸乳液而言,其主要单体和制造方法与建筑乳胶漆所用的乳液相近,但价格却比后者高得多。聚氨酯分散体固含量低,一般在30%左右,其制造成本不会比溶剂型聚氨酯漆的基料(固含量50%)高,可见乳液和分散体价格不合理,存在价格调整的空间。在大力发展水性木器漆的今天,国外厂商的乳液和分散体纷纷涌入国内,但价格都很高,有的甚至高达50元/kg以上。开发具有自主知识产权的乳液和分散体,参与这一领域竞争,才能使水性木器漆价格良性回落至合理程度,才能使水性木器漆完成由贵族化向平民化的转变,成为真正为百姓大众所接受的环保产品。
4结语水性木器漆在保持绝对环保优势的前提下,不断提高其质量,使其综合性能达到或接近相应的溶剂型漆的性能,这是水性漆研发的当务之急。

目前,这方面急待解决的问题有丰满度、硬度、耐介质性、耐磨性、初期强度、初期抗粘性和最终强度时间长等。通过改变其交联机理,采用合理的合成和核壳聚合方法以及合理的配方调整,克服不足,提高水性木器漆的综合性能,使其真正能与溶剂型漆匹敌,才能受到国内消费市场的欢迎

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