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改善聚氨酯哑光白色面漆发花现象的研究,针对聚氨酯哑光白色面漆在施工过程中容易出现的发花现象
2019年10月05日    阅读量:652    新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿


0 前 言

在家具涂料市场上哑光木器涂料占据很大市场份额,随着人们物质文化生活水平的提高和对时尚个性的追求,消费者对家具的涂装效果要求亦越来越高。哑光白色涂膜光泽柔和优雅,既适应现代的美学观,又使视力不易疲劳,给人一种朴实、高雅和舒适的感觉,宁静安定,装饰性更好,深受消费者青睐。


聚氨酯哑光白色漆是在配方中加入一定量的哑光粉,哑光粉在涂料成膜过程中随着溶剂挥发时形成的上下对流而被夹带至涂膜的表层,因涂膜表层黏度比较大,所以哑光粉就滞留在涂膜表层而提高了涂膜表层的颜料体积浓度,形成了微细粗糙度的表面,当入射光到达涂膜表面时发生散射,产生哑光的外观效果中国化工网okmart.com


但聚氨酯哑光白色漆受施工条件及环境的影响,容易出现光泽不均匀、发花的现象,特别是在低温情况下更加容易出现这种弊病,严重影响家具涂饰外观,这些问题一直困扰家具厂家及技术人员。


哑光涂膜的光泽与哑光粉在涂膜中的分散状态密切相关,而哑光粉的分散状态受到涂装工艺、涂装环境及涂膜干燥条件等多个因素的影响,成为影响涂装质量的关键因素,如何保持哑光白色面漆光泽的稳定及避免发花弊病,是涂料生产者和使用者都需要面临的问题。本实验从配方设计到施工工艺及涂装条件各方面的统一优化,提高哑光白色面漆光泽均匀度,避免发花现象,从而获得满意的涂膜外观,满足家具对高装饰性的要求。

 

1 实验部分

1.1 主要原材料

醇酸树脂,金红石型钛白粉,分散剂,消泡剂,流平剂,防沉剂,抗黄变助剂,CAB,哑光粉,蜡粉,TDI三聚体1451,HDI三聚体3390,溶剂等,均为工业品。

1.2 哑光白色面漆的制备

将树脂、溶剂及分散剂搅拌均匀,然后加入钛白粉(钛白浆配方见表1),高速搅拌均匀后,砂磨至细度小于20 μm,出料待用。

钛白浆的制备

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将醇酸树脂、钛白浆及助剂加入分散缸中,低速搅拌均匀,然后加入哑光粉及蜡粉,高速分散20 min左右,最后加入余下物料,低速分散10 min,检验合格后,过滤包装得到哑光白色面漆,配方见表2。

哑光白色面漆的基础配方

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1.3 涂膜性能的检测

按m(主剂)∶m(固化剂)∶m(稀释剂)=1∶0.5∶(0.5~0.7)配漆喷涂在白色底漆板上,一般喷涂2个“十”字,等涂膜干燥后观察涂膜表面状态,看涂膜是否发花及发花程度。

 

2 结果与讨论

2.1 羟基树脂的选择

白色涂料由于要求具有一定耐黄变性,为避免油类的不饱和双键引起黄变而常选用饱和脂肪酸改性的短油醇酸树脂,如椰子油脂肪酸改性醇酸树脂、月桂酸改性醇酸树脂。而木器涂料常用的合成脂肪酸树脂与羟基丙烯酸树脂虽然耐黄变性能优异,但由于消光困难,且对涂膜机械性能的提高有限而一般不采用,椰子油脂肪酸改性树脂具有优异的保光、保色性,而且干燥性优异,容易消光,因而制备哑光白色面漆时通常选择椰子油脂肪酸改性树脂。


涂料的消光一般是通过哑光粉来实现的,哑光粉在涂料中的稳定性是引起涂膜光泽波动及发花的主要因素,不同椰子油脂肪酸改性树脂由于相对分子质量和相对分子质量分布不同及所含的活性官能团种类及数量不一样,这些差异造成了其对哑光粉和颜料的润湿能力也不一样,从而影响哑光白色面漆的光泽稳定性。


通常如果醇酸树脂相对分子质量分布过宽,意味着存在相对分子质量过小或过大的树脂成分,与其他组分相容性差,涂层表面张力就不易达到平衡,微粒间作用力将产生排斥或收缩运动,出现相分离,容易导致哑光粉团聚,在干燥过程中涂膜就容易出现缩孔、发花等弊病。


树脂的相对分子量过大、黏度高,不容易润湿哑光粉,分散稳定性不好,喷涂时流平差,哑光粉在涂膜中排列不均匀,有较大的絮凝和团聚,引起涂膜发花。而树脂相对分子量过低,虽然黏度低、流平性好,但干燥速度慢,不易消光,容易引起哑光粉的无序移动,导致光泽不稳定,同样易出现发花弊病。选择具有适当分子量范围内的醇酸树脂,不仅流平性好,可以提高对颜料及哑光粉润湿性,减少发花现象,赋予哑光白色面漆良好的施工性能。现以市面上常用的几种椰子油脂肪酸改性树脂用于制备PU哑光白色面漆,实验结果见表3。

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树脂对PU哑光白色面漆性能的影响

由表3可知,醇酸树脂B、C、D柔韧性、附着力均较差,低温下极易脆裂,特别是在北方地区使用更加明显。其主要原因是因为此类树脂为利于消光而大量使用多官能度的醇或酸类使树脂支化度提高、黏度增大,使得该类树脂不但自身附着力、柔韧性差,而且对哑光粉的润湿性差,导致哑光粉容易团聚出现发花,其次在制漆过程中加入了大量钛白粉、高吸油量的哑光粉致使涂膜机械性能进一步降低。本实验选择的树脂A黏度适中,流平性好,易消光,可以减少哑光粉的用量,由于树脂结构中含有较多的伯羟基,空间位阻小,有利于同固化剂中―NCO交联成网状结构,提高涂膜性能,且玻璃化温度高,有利于溶剂释放,加快涂膜内部溶剂的对流和表层黏度的增加,造成哑光粉更多地滞留,使哑光粉具有较佳的定向效果,在涂膜中分布比较均匀,确保涂膜光泽稳定,同时其分子设计合理,刚柔相济,附着力、柔韧性有了极大提高,低温条件下也不易出现脆裂现象,完全能够满足家具对PU哑光白色面漆的性能要求。


2.2 助剂的影响

为了获得良好的涂膜外观和较好的施工性能,哑光白色面漆不可避免要加入助剂,但如果选择的助剂与树脂相容性差,使用时分散不均匀或贮存时发生状态改变,会造成涂膜表面张力不均一,容易产生发花弊病,因此尽量通过实验选择相容性较好的助剂。在哑光面漆中,哑光粉分散效果越好,越接近原始粒径,哑光粉越容易均匀稳定分布在涂料中,干燥过程时就能更好排列在涂膜表面,避免哑光粉聚集及层叠增多导致发花现象出现。特别是哑光白色面漆,因为哑光粉用量较多,分散剂如果选择不当或者用量不足,哑光粉未能分散好,导致稳定性差,在使用过程中产生絮凝,施工时更容易造成涂膜发花。


本实验选用一种改性嵌段结构的共聚物分散剂,其具有独特的双基团结构,在粉料分散过程中,分子一端的锚定基优先吸附于粉料粒子表面,牢牢地固定在上面,形成稳定的吸附层,促使树脂很好润湿粉料粒子,从而起到稳定分散哑光粉和钛白粉的作用。另一端缔合基通过与树脂分子上的羟基及羧基等结合获得一定的缔合结构,形成更大形式的大分子整体结构,使锚定的哑光粉及钛白粉更加稳定,均匀地分布在涂料体系中,从而达到防止粉料沉降、团聚等不良现象的发生,使哑光白色面漆具有良好的贮存稳定性。喷涂时改善流平,促使哑光粉均匀排列在涂膜中,避免哑光粉的无序移动,使哑光白面漆的光泽更加均匀,防止浮色发花。



在涂料成膜过程中,随着溶剂不断挥发,涂膜表面黏度增加、温度下降,表面密度和张力增大,并向底部下沉。由于涂膜下部溶剂多,表面张力低,将产生一种推动力,使底部涂料向上层移动,并在表面扩散,促使溶剂挥发。


这种上下流动反复进行,从而出现涡流。哑光粉自然而然参与了这种流动,当哑光粉流动性差异发生时,哑光粉随之分离,就会出现发花现象。流平剂一般通过与涂料体系的一种可控制的不相容来降低体系的表面张力,减少因表面张力梯度差而引起的涂膜弊病,促使涂膜流平,改善发花等弊病。


本实验选择一种聚酯改性硅烷流平剂,具有较低的表面张力,可大大降低涂料体系的表面张力,明显增进涂料对基材的润湿能力,有利于增加流平,解决哑光粉定向排列,消除表面缺陷,改善涂装效果。而且此聚酯改性硅氧烷类流平剂与涂料体系具有或多或少的不混容性,可产生蠕动作用,容易迁移到涂膜表面形成一个单分子层改变涂料的流动性,保证涂膜表面张力的均匀化,提高抗缩孔能力,改善涂料的贝纳德涡流,降低对气流敏感性,大大改善涂膜的长波流平,消除涂膜干后出现“大波浪”现象,使涂膜达到镜面效果。


加入醋酸丁酸纤维素(CAB),可以改善涂料的施工性能和物理性能,它属于自干性的树脂,具有较高的玻璃化转变温度,对溶剂有良好的释放性,能提高涂层的干燥速度,在涂料的成膜过程中,一方面减弱涡流的影响时间,增加湿膜中紊流和对流时对哑光粉运动的阻力,使哑光粉有一定的运动自由度,有利于哑光粉的排列取向。另一方面,随着溶剂的挥发,醋酸丁酸纤维素和固化剂的体积浓度不断提高,两者的不相容性必然会迅速增加涂膜的黏度,从而增加了哑光粉在表面的滞留,改善哑光粉在涂膜中分布,相应减少发花现象的发生。


涂料配漆后,由于黏度较低,造成哑光粉和颜料容易沉淀,形成光泽不均匀而发花,因此白色哑光面漆要做好防沉工作,加入合适防沉剂,能够在整个体系形成带有微触变性的氢键网络结构,从而稳定哑光粉及颜料,有助于减弱施工过程中出现沉降及絮凝,改善涂料施工性。使涂料既有良好的流动性又保证丰满度,这样在涂膜干燥过程中,确保哑光粉不会随紊流运动,有一个良好的排布,保持光泽均匀性,避免发花现象,同时防止流挂,提高施工效果。


2.3 哑光粉的影响

哑光粉在哑光白色面漆中对消光的作用最为关键,直接影响到涂膜的消光作用。目前常用的消光粉主要是二氧化硅和有机蜡粉,其中二氧化硅对消光作用最为明显,其性能主要由空隙率、粒径大小及表面处理等决定。


实验证明,在同等条件下二氧化硅的粒径越大,消光性越好;空隙率越大,消光越好;无蜡处理比有蜡处理消光好;加入量越多消光作用越好。蜡粉的消光效果明显不如哑光粉,但可以明显提高涂膜的表面性能,增加涂膜抗划伤性及表面滑爽性,通常和哑光粉配合使用。


但蜡层在涂膜表面会阻止溶剂的挥发,影响涂膜的干燥,如果在配方中使用量过大,会使发花现象更加严重。因此为了减少发花现象,又要保证涂膜的抗划伤性及表面滑爽性,可适当减少蜡粉的用量,增加手感助剂用量,应通过实验选择合适的哑光粉体系才能确保哑光白色面漆的光泽

稳定性,减少发花弊病。


2.4 固化剂的影响

固化剂对涂膜性能影响十分重要,本实验主要是考虑到涂膜硬度及耐黄变性能的双重要求,故在TDI三聚体、HDI三聚体之间进行选择。根据表4可知,实验方案A固化剂的耐黄变性能最好,但是难消光、涂膜干燥慢、硬度低,干燥过程中容易引起哑光粉的移动,造成光泽不稳定而发花严重,难以满足使用要求。


随着TDI三聚体用量增多,消光性变好,发花现象明显改善,主要是TDI三聚体的玻璃化转变温度高及与溶剂相容性差,与主漆组分中的羟基的反应速度也比HDI固化剂要快得多。在干燥过程中,含TDI三聚体多的体系反应速度快,分子量增大快,加上对溶剂的释放性,使湿膜迅速增稠,短时间内凝定哑光粉,有利于哑光粉的均匀排布在涂膜中而稳定光泽。同时随着溶剂挥发,固化剂的不相容性同样会提高涂膜黏度,帮助消光,减少发花现象。但随着TDI三聚体用量增多,涂膜耐黄变性能降低,同时表干速度加快,流平性变差,也容易引起发花。方案D的结果不论是从性能上考虑还是从价格上考虑最为理想,可满足使用要求,同时由于消光效果好,可相应减少哑光粉用量,降低发花几率。

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固化剂对涂膜性能的影响

2.5 溶剂的影响

聚氨酯哑光白色面漆对溶剂的要求较高,应避免采用易与异氰酸酯发生反应的醇类、醇醚类溶剂,还必须达到不含水分的氨酯级标准。溶剂如果含有水分,容易使颜料及哑光粉返粗、沉降,加速哑光粉及颜料絮凝,不利于哑光粉的均匀排列。同时水与固化剂反应,易产生针孔,而且其挥发慢,对体系溶解力和表面张力造成不良影响,导致涂层表面产生雾影,引起发花弊病。

溶剂在涂料中作用主要是调节涂料施工黏度和挥发速度,不但对涂料施工性及涂膜性能有重要影响,而且其干燥速度及挥发梯度对哑光白色面漆的光泽稳定性也有很大影响。由于各种溶剂的溶解力、挥发速率的不同以及—NCO基与—OH基在各种溶剂体系中的反应速率的不同,就造成了不同的稀释剂对哑光白面涂膜有不同的影响。溶剂对哑光白色面漆消光作用的影响主要取决于溶剂的挥发性和其对涂料体系的溶解力,一般溶剂挥发速率越快越有利于消光。随着溶剂挥发速率的提高,湿膜内溶剂含量下降加快,反应物浓度变大,反应速度加快,分子量增速加大,黏度增稠也快,明显减缓哑光粉沉降速度,促使更多的哑光粉留在涂膜表面,降低涂膜光泽,同时快速促使哑光粉均匀分布在涂膜中而稳定光泽,涂膜不易发花。但表干过快,在大面积喷涂时,涂料从喷枪飞向底材过程中,大部分溶剂会挥发掉,落到底材表面上的涂料黏度大大提高,湿膜没有流平推动力,造成流平不好,不但涂膜表面粗糙,还会破坏溶剂平衡。一部分树脂因强溶剂的减少而带着吸附的哑光粉析出,致使哑光粉不能很好地定向排列在涂膜表面上,引起涂膜表面有些地方哑光粉多,有些地方树脂多,导致涂膜光泽不均匀出现发花弊病。而溶剂过于慢干则使涂膜内的哑光粉随意无序迁移,造成光泽波动大,同样也会出现发花现象。特别使用了溶解力差的高沸点溶剂时,其挥发速率慢于溶解力好的溶剂,残留在涂膜中溶解力差的溶剂多,造成溶解力不足使树脂分子紧缩成线团状,甚至析出,涂膜表面容易局部起皱。或者对气流敏感,导致受局部气流的影响,更容易引起哑光粉排列紊乱出现发花现象,因此溶剂要有适宜的挥发速度,才能保证哑光白色面漆不发花。

稀释剂通常由酮类、酯类及二甲苯等芳烃组成,酮类、酯类溶剂是极性溶剂,有良好的溶解力,能与羟基形成氢键,产生缔合,减缓—NCO/—OH反应速度,有利于涂膜流平和延长施工期。二甲苯等芳烃是非极性溶剂,对主剂和固化剂的溶解力较差,但可以促进—NCO/—OH反应,干燥过程中加快涂膜分子量上升的速度,促进涂膜黏度的增大,减缓哑光粉的沉降速度,使留在涂膜表面的哑光粉的量增大,降低光泽。但随着二甲苯用量加大,导致溶解力变弱,造成涂膜流平性差而容易发花。因而要通过实验选择不同挥发速率的酯类、酮类及二甲苯等芳烃溶剂组成理想的混合溶剂,既要有合适的挥发速度,又有良好的溶解性,增加对产品的溶解力,使树脂高分子充分伸展并相互作用,均匀分散在体系中,充分润湿哑光粉及颜料粒子,防止团聚现象的发生,同时延长了涂膜表面的开放状态,保证充分流平,又有利于涂膜中溶剂顺利挥发,促进哑光粉的定向排列,保证哑光白面具有较好的涂膜状态。在配制稀释剂时,要考虑一年的气温变化较大,冬季时增加挥发快溶剂的用量,夏季则应加大高沸点溶剂的比例。

2.6 施工工艺的影响

要获得良好的涂膜质量,消除发花现象,还要有良好的施工条件作保证,根据施工现场可能影响涂膜光泽及发花的因素主要是:底材、温度、湿度、通风条件及施工方式。

2.6.1 底 材

底材的平整光滑度对涂膜外观有很大影响。底材过于粗糙会吸收一部分涂料,直接导致哑光白色面漆局部颜基比不同,干燥速度不一样,从而导致光泽不均匀。同时涂膜的视觉感知不仅依赖于光照条件,而且还依赖于观察角度。如果底材不平整,对光线的反射就会出现明暗间隔,造成光的反射不同而引起人的视觉感不一样,使人感觉到涂膜的颜色及光泽不一样而觉得涂膜发花。特别是光泽较低时,相差一点,从目视角度看变化都会特别明显,感觉出现发花,因此要尽量将底层打磨平整,可以有效降低涂膜的长短波橘皮,获得流平良好的涂膜效果。

2.6.2 温 度

涂装环境温度低于10 ℃或高于30 ℃,都会影响涂装效果。一般温度的升高加剧了涂膜内部溶剂的上下对流和表面的挥发,致使更多的哑光粉随着溶剂的扩散迁移到涂膜表层。同时由于涂膜表层的黏度上升较快,哑光粉在表层的滞留就越多,涂膜表面的粗糙度也就越大,光泽度就越低,光泽也容易稳定而避免发花。但温度过高,造成溶剂挥发过快,使涂料流平变差,同样容易发花。而温度过低,涂层反应较慢,交联不好加上溶剂不易挥发而引起涂层干燥不彻底,哑光粉长时间处于潮湿状态,易于自由扩散或流动,产生哑光粉分布不均匀现象,造成光泽不均匀而发花。因此,在不同温度下要获得稳定的光泽,避免涂膜发花,必须调整体系溶剂的挥发速度,选择合适的稀释剂。

2.6.3 湿 度

湿度超过80%时,就明显影响涂膜干燥性能,这主要是空气中的水分与固化剂在涂膜表面发生部分反应,导致涂膜内部树脂与粉料出现相分离,涂层产生雾影,以致光泽不均匀。同时对体系溶解力和表面张力造成不良影响,造成溶剂难挥发,致使涂膜干燥变慢,影响哑光粉排列,出现发花弊病。

2.6.4 干燥房的通风环境

干燥房通风好,空气流通快,可以促进涂膜内部溶剂的扩散和挥发,确保涂膜表面光泽稳定而减少发花。相反干燥房通风环境差,溶剂蒸气充满整个场所,严重阻碍溶剂从涂层中进一步蒸出,部分慢干溶剂还会重新溶解部分涂膜成膜物质,造成哑光粉析出引起光泽不均匀。如果工件放得过密,发花现象会更严重。

2.6.5 施工方式

在现场的施工中,操作者的不同施工习惯及施工方式将影响涂层的厚薄均匀程度,造成光泽度的不稳定,进而出现发花现象。特别是立面施工时要考虑到是否会流挂,所以涂布量往往比平面施工得少,加上立面喷涂时通常容易走枪不均匀,喷枪每枪之间的重叠也不均匀,不易获得平整的涂膜。因此,立面施工比平面施工光泽要低,更容易造成光泽不均匀,喷得厚的地方光泽高,薄的地方光泽低,导致涂膜发花。因此要获得稳定的光泽必须考虑涂布量和施工方式对消光作用的影响,只有平衡两者的关系才能达到较好的涂装效果。大面积喷涂使用慢干一些的稀释剂,喷涂厚一点,同时喷涂时走枪要均匀,使涂膜厚薄均匀,才能使光泽一致。而立面喷涂时,可提高施工黏度,走枪慢些,才能具有较好的涂膜平整度从而避免发花现象。

 

3 结 语

影响聚氨酯哑光白色面漆发花的因素是多方面的,在配方设计时要考虑各种材料对消光作用的影响,结合环境因素和施工因素的影响选择合适的材料制备不易发花的哑光白色面漆。同时加强涂装管理,适当调整稀释剂及施工方式,才能有效预防及改善涂膜发花弊病,提高家具涂装质量,获得满意的涂膜外观。


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