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上海六链双组份水性木器漆活化期及性能与催化剂关系之研究

核心提示:


作者:陈正林

中国水漆全产业链模式缔造者

中国汽车非金属水性漆开创者

全球汽车密封高分子材料专家。

 

摘要:常用水性异氰酸酯作为固化剂组分以提高漆膜综合性能,是目前市场上双组份水性木器漆提高性能的主要技术手段。通过合成了一种新型的用于水性木器漆的异氰酸酯固化剂,通过该固化剂中催化剂含量来调整固化剂在水性木器漆体系中的活化期,并研究其对水性固化剂的性能影响。

关键词:水性异氰酸酯   水性木器漆  催化剂  活化期 

 

引言

随着国家法规法令对家具木器漆领域的监管愈加严格,家具漆势必朝着低污染、低毒害的方向发展,水性木器漆很好地顺应了这个发展方向。但单组份水性木器漆无法解决家具厂商对水性木器漆性能差的忧虑,高档家具、出口家具的厂商为了降低风险,往往考虑双组份水性木器漆为首选。所以本文合成了一种水性异氰酸酯固化剂,通过配方调整固化剂的活化期并讨论活化期对水性木器漆固化性能的影响,以及如何选择正确的固化剂。

 

实验部分

2.1 原料

HDI三聚体HT-100,万华化学,工业品;磺化聚氧乙烯醚二醇,自制,工业品;丙二醇甲醚醋酸酯PMA,陶氏化学,工业品;有机铋催化剂,领先化学,工业品;水性木器漆组份,上海六链实业有限公司,工业品。

2.2 合成工艺

在装有搅拌、温度计、氮气接口、真空泵接口的1L反应釜中加入40g磺化聚氧乙烯醚二醇,通氮气保护,搅拌升温至120℃,密闭停止氮气,打开真空泵,在120℃下真空脱水2h,抽除磺化聚氧乙烯醚二醇含有的少量水分。脱水完毕,关闭真空,打开氮气阀,将物料降温至60℃,加入600gHT-100、160g丙二醇甲醚醋酸酯,搅拌,升温至100℃,保温反应1h后加入有机铋催化剂,继续保温反应直到测试NCO含量达到理论设计值,则反应结束。降温至40℃,包装得到水性异氰酸酯固化剂。

2.3 涂料配制

按水性木器漆:固化剂:水=100:10:15的比例,常温静置,每隔20min测其粘度,得到活化期。

 

结果与讨论

3.1 固化剂中催化剂含量对活化期的影响

本研究采用含有羟基的磺化聚乙二醇作为亲水扩链剂反应接入到异氰酸酯三聚体中,使之具有乳化功能,反应过程中加入催化剂的多少,直接决定了反应的快慢和反应时间的长短,但固化剂中残留的催化剂对固化剂和涂料的反应也会起到催化作用,对涂料的活化期也有影响。通过不加催化剂及加入不同比例的催化剂,在不同温度下的双组份水性木器漆活化期进行了对比,结果如下图1。


    从图1可以看出,催化剂用量越大,产品的活化期越短,在环境温度较低(20℃)的情况下,变化较不明显,但环境温度越高,则催化剂用量对活化期的影响越显著,催化剂用量越大,活化期明显越短。这可能与催化剂促进了固化剂和涂料中的水反应有关,而且温度越高,这种反应就会越明显。

3.2 固化剂中催化剂含量对漆膜短期硬度提升的影响

选择了以上几种不同活化期的固化剂加入到涂料中,在同样基材上按每24小时喷涂一道涂料,每道涂料喷涂量为100-110g/m2,连续三道。喷涂后在温度30℃、湿度55%的条件下养护24小时,测漆膜铅笔硬度,结果如图2。

从图2可以看出,随着固化剂中催化剂含量增加,漆膜硬度有所增大,但当催化剂含量超过300ppm后,漆膜硬度开始下降,且含量越大,漆膜硬度下降越大,说明了少量的催化剂对漆膜的硬度有所帮助,但超过了一定量之后,漆膜硬度便开始下降,这可能和催化剂含量越高,导致NCO基团与水的副反应越多,造成NCO损失较多有关。

3.3 固化剂中催化剂含量对漆膜耐划伤的影响

按3.2方法,涂料中加入不同催化剂含量的固化剂,搅拌均匀并喷涂,漆膜在养护7天后测试耐划伤性,按GB/T 9279和GB/T 23999-2009的规定执行,在划针上给定100g负荷进行耐划伤试验,结果如图3。


 0级代表最好,表面基本无划痕;

 1级代表轻微划伤,少量划痕;

 2级代表少量可视划伤,但划痕不严重;

3级代表可视划伤,划痕较清晰;

4级代表明显划伤,且划痕明显较深;

5级代表最差,表面划伤严重,膜面被严重划破并脱落。

     从图3可以看出,固化剂中催化剂含量的增加,漆膜的耐划伤有所提高,但超过200ppm后漆膜耐划伤性表现出下降趋势。固化剂和树脂及水的反应存在着一定的竞争关系,当固化剂刚加入涂料中,固化剂在剪切力作用下进行自乳化,固化剂分子以悬浮粒子的状态存在于涂料的水相中,和涂料树脂分子并未直接接触,而是被大量水分子包围,部分NCO基团和水分子在催化剂作用下进行反应,随着水分的挥发,水分子脱离接触,这时活泼的NCO基团才开始和树脂中的羟基、羧基、氨基等基团接触并在催化剂的作用下促进反应。所以催化剂既能促进水分对NCO基团的消耗反应,又能促进树脂分子和NCO的交联反应,在催化剂含量较少时,后者的作用应该超过了前者,导致漆膜有更好的交联密度,提高了漆膜的耐划伤性,而催化剂含量较多时,大量活泼的NCO基团被水消灭,导致漆膜交联度下降,耐划伤性也有所下降。

3.4固化剂中催化剂含量对漆膜耐乙醇的影响

按3.2方法,在涂料中加入不同催化剂含量的固化剂,搅拌均匀并在木板上进行喷涂,漆膜在7天后进行耐乙醇测试,按GB/T 23999-2009规定的方法执行,采用纯度95%的乙醇进行试验,结果如表1。

表1  固化剂中催化剂含量对漆膜耐乙醇的影响


序号

催化剂含量(ppm)

漆膜表面状态

1

0

膨胀,少量发白

2

100

膨胀,轻微发白

3

200

少量膨胀,不发白

4

300

轻微膨胀,不发白

5

400

轻微膨胀,少量发白

6

500

膨胀,较多发白

 

从表1可以看出,随着固化剂中催化剂含量的增大,漆膜经酒精浸泡而导致膨胀、发白的情况有所减轻,说明耐乙醇性有所提高,显示了催化剂对促进固化剂和涂料树脂的固化是有所帮助的。但随着催化剂含量进一步增大(超过300ppm),则漆膜经酒精浸泡而膨胀、发白的情况有所加重,说明耐乙醇性下降了,这可能由于催化剂量较高,导致水和固化剂的副反应增加,活泼NCO基团被消耗而导致了漆膜交联密度下降有关。

 

结论

     本研究在不改变其他条件的情况下,在制备水性异氰酸酯固化剂中加入不同含量的催化剂,实验的结果表明催化剂对固化剂的活化期有明显的影响,催化剂含量越高,固化剂活化期越短,且环境温度越高,表现出活化期越短的趋势。通过不同活化期的固化剂和涂料进行配比喷涂测试发现,少量的催化剂对提升木器漆的初期硬度、耐划伤、耐乙醇有所裨益,但催化剂含量超过一定值之后,不仅导致固化剂的活化期缩短,还导致硬度、耐划伤性、耐乙醇下降,不能发挥出固化剂最佳性能。


编辑:andaoqi7




Tags:上海 水性 木器 活化 及性能 催化剂 关系 研究