水性聚氨酯丙烯酸树脂和聚丙烯酸酯面漆漆膜性能评价

张岱远，申黎明，闫小星

(1.南京林业大学材料科学与工程学院； 2.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

水性聚氨酯丙烯酸树脂和聚丙烯酸酯面漆漆膜性能评价

张岱远1，申黎明2*，闫小星2

(1.南京林业大学材料科学与工程学院； 2.南京林业大学家居与工业设计学院，南京 210037)

选取两种商用的水性木器涂料面漆进行性能评价，其主要成膜物质分别为水性聚氨酯丙烯酸树脂和聚丙烯酸酯。通过傅里叶红外光谱测试分析这两种面漆的官能团，在此基础上进行漆膜的干燥速率、铅笔硬度、耐磨性、漆膜光泽度和漆膜24 h吸水率测试，分析这两种水性木器涂料面漆性能的差异，为家具企业在应用水性木器涂料时提供选择依据，并且为这两种水性树脂在木器涂料应用中的改良提供一定实验依据。结果表明：水性聚氨酯丙烯酸酯树脂的水性木器面漆在漆膜硬度、耐磨性、光泽度和耐冷液性能方面都要好于水性丙烯酸酯的水性木器面漆，但水性丙烯酸酯木器涂料的干燥速度更快，24 h漆膜吸水率只有8.2%，低于水性聚氨酯丙烯酸酯漆膜的29.6%。通过研究可发现交联程度高的水性聚氨酯丙烯酸树脂在漆膜耐磨性、表面光泽度和硬度等方面有更好的表现，但漆膜表面过快形成交联网络也会降低漆膜的干燥速率，提高企业的应用成本。

水性涂料；木器；成膜树脂；漆膜性

随着人们生活水平的提高，安全健康意识逐渐增强。在与人们生活息息相关的家居木制品领域，水性木器涂料越来越受到政府和消费者的重视，这使得家具行业的相关企业不得不开始进行大规模的油改水技术改进。虽然目前传统的溶剂性涂料在国内市场仍占有较大的份额[1]，但水性涂料已经成为未来的主要发展方向[2-3]，室内行业在2008年就立法规定要用水性涂料彻底代替传统的溶剂型涂料，2015年2月以来出台的一系列VOCs排放控制政策使得水性涂料的发展已经成为不可逆的大势所趋。目前市场上主要的涂料企业都已经推出了水性木器涂料产品，但不同企业的水性涂料在性能和施工性上存在较大差异，这也给木制品企业在进行油改水工艺改进时带来了许多问题。市场上主要的商用水性木器涂料的主要成膜物质有水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯丙烯酸树脂[4]、水性聚氨酯树脂和水性醇酸树脂等多种类型[5-6]。不同水性树脂制成的水性涂料在性能上存在差异，例如耐水性、耐溶剂性、漆膜耐磨性、表面硬度、干燥速度和光泽度等方面[7-8]。笔者选取两种水性涂料面漆进行主要成膜物质的化学成分分析和漆膜性能测试，研究水性涂料中不同成膜物质对涂料综合性能的影响，揭示影响因素与机理，以期为水性木器涂料面漆的研发改良及家具企业的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水性木器涂料：选择两家国内市场常见的水性木器面漆进行对比研究，其中水性木器面漆A(公司A，主要成膜物质为水性聚氨酯丙烯酸树脂)，固含量26.42%；水性木器面漆B(公司B，主要成膜物质为水性聚丙烯酸酯)，固含量39.73%。涂饰基材：榉木板材，规格为100 mm×100 mm×10 mm；打磨材料：0.048和0.025 mm砂纸，分别用于基材打磨和漆膜层间打磨。

1.2 漆膜制备

漆膜制备在榉木板材上，具体步骤如下：1)采用0.048 mm砂纸顺纹理打磨基材直到表面光滑没有明显起伏；2)在试样表面以15～20 g/m2的涂布量均匀刷涂配套的水性木器涂料底漆；3)将试样在(25±2)℃的通风环境中静置1 h自然干燥；4)用0.025 mm砂纸轻轻打磨漆膜表面并用干布擦去表面的浮尘；5)重复2～4步骤，总共刷涂3遍底漆；6)在试样表面以15～20 g/m2的涂布量均匀涂刷水性涂料面漆；7)将试样在(25±2)℃的通风环境中静置1 h自然干燥；8)重复6～7步骤，总共涂刷2遍面漆(进行耐磨性测试的试样涂刷4遍面漆)。

1.3 漆膜性能测试

漆膜成膜物质的化学结构分析使用傅里叶变换红外光谱光谱仪(FT-IR，Nicolet iS10，Thermo Fisher)，测定范围4 000～500 cm-1，分辨率2 cm-1。采用薄膜试样进行测试。漆膜吸水性测试方法为：在玻璃片上制得22 mm×22 mm大小的漆膜，在恒温鼓风干燥箱中干燥2 h，干燥温度设定为60℃。完全干燥后静置24 h，再称取其质量m1，将薄膜浸入蒸馏水中浸泡24 h取出，迅速擦去表面的水分后称质量m2，计算吸水率η。取3个样品的平均值。其吸水率计算公式如下[9-10]：

η=[(m2-m1)/m1]×100%

(1)

式中：η为样品吸水率，%；m1为样品干燥后质量，g；m2为样品浸泡后质量，g。

漆膜的干燥性能采用漆膜在干燥过程中的质量分数变化曲线来描述，每种面漆的样本数为3个。漆膜硬度测试参照GB/T 6739—2006，使用QAT便携式铅笔划痕试验机进行测试。漆膜附着力测试按照GB/T 4893.4—2013，使用QFH漆膜划格仪进行测试。漆膜耐磨性测试参照GB/T 4893.8—2013，使用BGD523漆膜磨耗仪进行测试，砝码质量500 g，磨耗转速60 r/min，磨耗圈数为50 r，每10 r记录1次磨耗损失质量，取3个样品平均值。漆膜耐冷液测试参照GB/T 4893.1—2005标准。漆膜表面光泽度测试参照GB/T 4893.6—2013，使用GZ-Ⅱ光电光泽计进行测试。

2 结果与分析

2.1 漆膜成膜树脂的化学官能团分析

a.面漆A;b.面漆B 图1 两种水性木器面漆的红外光谱图像Fig.1 The FT-IR spectra of two waterborne wood topcoats

2.2 漆膜性能测试分析

2.2.1 漆膜耐吸水率分析

漆膜吸水率测试结果见表1。由表可知，面漆B的24 h吸水率为8.2%，远小于面漆A的29.6%。这是由于面漆A中的水性聚氨酯树脂所含有的氨基甲酸酯键含量较大，其与水分子氢键的作用较大使得水分子容易进入水性聚氨酯漆膜[15]，也有可能该面漆中水性聚氨酯中羧基阴离子的含量较高，各链段之间库仑力的作用也变大，水分子易渗入软、硬链段微离子聚集区，易被聚氨酯分子链上的亲水基团吸附、传递，从而使胶膜吸水率增加[16]。同时水性聚氨酯和水性丙烯酸树脂过度交联使得大分子的网络结构增强，聚合物相对分子质量急剧增大，粒径也明显增大，大粒径不利于分散体的稳定性和胶膜的致密性，乳胶粒相互融合性越差[17]。这些会导致水分子易由外向内渗透，造成吸水率上升。

表1 榉木基材两种水性木器涂料面漆的漆膜性能Table 1 Properties of two kind waterborne wood topcoat films applied to the beech board

2.2.2 漆膜铅笔硬度和附着力分析

由表1可知，两种水性涂料面漆的铅笔硬度均不高，其中面漆A的铅笔硬度等级为B，略高于面漆B的3B。这应该是面漆A中的水性聚氨酯中含有氨基甲酸酯基团(—NHCOOR)和脲键基团等极性基团，这些基团的相互作用能使分子间力增大，增强漆膜的硬度，使得水性聚氨酯丙烯酸树脂比单纯的水性丙烯酸树脂具有更好的硬度。

图2 两种水性木器面漆耐冷液2 h效果Fig.2 The resistance to cold water for 2 h of two kind waterborne wood topcoats

附着力方面，两种水性涂料面漆的附着力均很好，达到了最高的0级，划格周围没有观察到剥落现象。这是由于两种面漆中的水性丙烯酸树脂提供了良好的附着力，水性树脂中的亲水基团在遇到木质基材表面的羟基时也能提供优异的结合强度。

2.2.3 漆膜耐冷液性能分析

两种面漆耐冷液测试2 h后效果见图2，结果显示面漆A要好于面漆B。在2 h耐冷液测试中，面漆A表面无可见变化，而面漆B出现了明显的圆形印痕，等级为3级。此结果表明以单纯水性丙烯酸树脂作为成膜物质的水性涂料吸水后表面树脂出现了明显的光泽度下降，从16%下降到12%左右。该测试结果证明漆膜表面的水性丙烯酸树脂在吸水后发生了反应，降低了漆膜的平整度。而水性聚氨酯丙烯酸树脂中聚氨酯与丙烯酸树脂之间的交联反应减少了漆膜中的羟基和羧基等亲水基团的数量，因此在遇水后更难发生反应。结合漆膜吸水率测试的结果可以发现，水性聚氨酯丙烯酸树脂的吸水率较高但漆膜在耐冷液性测试中无可见变化，这说明水性聚氨酯丙烯酸树脂的吸水率高更多是因为水分子从胶膜的交联网络间隙中进入，而不是漆膜中的树脂与水分子发生反应，所以综合来看，水性聚氨酯丙烯酸树脂作为主要成膜物质的面漆具有更好的耐水性[18-19]。

2.2.4 漆膜光泽度分析

由表1两种水性涂料面漆中面漆A的光泽度明显高于面漆B。面漆B的光泽度为16%，属于二级亚光范围；面漆A的光泽度达到了53%，属于半光漆。这是由于水性聚氨酯丙烯树脂的交联网状结构使得漆膜表面更加致密，因而面漆A具有更好的光泽度。

2.2.5 漆膜耐磨性分析

由表1两种面漆的耐磨质量损失可以看出，面漆A的耐磨性优于面漆B，两种面漆磨转50 r内磨耗质量损失曲线见图3。从图中可以看出前10 r以内面漆B的质量损失达到0.005 6 g，明显高于面漆A的0.004 3 g。面漆A的主要成膜物质为水性聚氨酯丙烯酸树脂，其中聚氨酯分子链中的硬链段含有的氨基甲酸酯基团(—NHCOOR)等极性基团能提供较高力学强度；另一方面水性聚氨酯和水性丙烯酸之间形成的交联网络能提供面漆更好的耐磨性能。20 r以后两曲线的质量损失基本一致说明20 r之后两种水性涂料面漆的漆膜均被磨穿。这说明两种水性木器涂料面漆的固含量偏低，进而导致成膜厚度很低，漆膜丰满度不够。

图3 两种水性木器面漆磨耗质量损失Fig.3 The mass loss of two waterborne wood topcoats

2.2.6 漆膜的干燥性能分析

在漆膜的干燥能力测试中，将两种面漆的涂布量控制在15～20 g/m2之间，干燥条件为(23±2)℃，空气湿度在70%左右的室内空间。两种面漆自然干燥过程中漆膜质量的变化见图4。从图中两种涂料干燥质量损失曲线的变化可以发现，面漆A和面漆B在前10 min的干燥速率基本相同，面漆A和面漆B的固含量分别是26.42%和39.73%。结合图中曲线分析可以看到面漆B在干燥50 min时漆膜质量已经达到涂料初始质量的42%，说明漆膜已经接近完全干燥；而面漆A的质量仍然还有涂料初始质量的53%，这说明面漆A的漆膜在自然干燥50 min后还残留了较多的水分。结合两种涂料的化学结构分析，可以判断水性聚氨酯丙烯酸涂料中的交联网状结构使得其在干燥过程中逐渐在漆膜表面形成致密的网状分子层，限制了漆膜内部的水分向外移动挥发，相比较单纯的水性丙烯酸树脂漆膜的中水分的运动受到的限制更小，因而在10 min后面漆B的干燥速度逐渐快于面漆A。

图4 两种水性木器面漆干燥过程中漆膜质量变化Fig.4 The mass changing in drying process of two waterborne wood topcoats

3 结 论

对两种商用水性木器涂料面漆进行化学成分分析和漆膜性能测试的结果显示：

1)水性聚氨酯丙烯酸为主要成膜物质的水性面漆涂料的表面光泽度、漆膜硬度、耐磨性和耐冷液性能均强于水性丙烯酸树脂的水性面漆涂料；

2)漆膜吸水率测试和干燥性能则显示水性丙烯酸树脂为主要成膜物质的面漆在干燥方面有着更好的性能；

3)具有更高交联网状结构的水性聚氨酯丙烯酸树脂能提升漆膜30%的耐磨性，交联后的水性聚氨酯丙烯酸酯漆膜具有更少的亲水基团的数量，这也能够提升漆膜的耐水性。

综合来看水性聚氨酯丙烯酸涂料是一种性能更好的水性涂料。但漆膜表面过快形成交联网络的特性会降低这类水性涂料的干燥速率，增加企业的应用成本。因此研制出交联程度好但同时不影响干燥性能的高固含量商用水性聚氨酯丙烯酸涂料应成为相关企业和科研工作者主要的研究方向之一。

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Evaluation of film performances of waterborne polyurethaneacrylate and waterborne polyacrylate

ZHANG Daiyuan1,SHEN Liming2*,YAN Xiaoxing2

(1.College of Materials Science and Engineering,Nanjing Forestry University; 2.College of Furnishings and Industrial Design,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China))

The performances of two commercial waterborne wood coatings were tested and evaluated in this study.The Fourier-transform Infrared (FT-IR) spectrometer was used to test the chemical composition of two different commercial waterborne wood topcoats.The binder of topcoat A was identified as waterborne polyurethane acrylate and the binder of topcoat B was identified as waterborne polyacrylate.Then the film performance tests were conducted in aspects of drying speed,pencil hardness,abrasive resistance,lacquer film glossiness and 24 h water absorption of film.Based on the results of these tests,we analyzed the influence of different resin on the performance,which would provide theoretical basis for the furniture enterprise to choose suitable waterborne wood coating and provide experimental data for improving the research of the application of these two waterborne wood coatings.The results showed that the waterborne polyurethane acrylate coating was better than waterborne polyacrylate coating in pencil hardness,abrasive resistance,film glossiness，and resistance to cold fluid.The pencil hardness of waterborne polyurethane acrylate film was B while that of the waterborne polyacrylate film was 3B.When the abrasion laps was 50 r,the mass loss of this waterborne resin was 0.010 3 g,that was lower than the 0.013 7 g of the film of waterborne polyacrylate.But waterborne acrylic coating film had faster drying speed,and the 24 h water absorption of it was 8.2%.This is much less than the water absorption of waterborne polyurethane acrylate coating,which was 29.6%.The high cross-linked structure of the film makes waterborne polyurethane acrylate showed better performance in abrasion resistance,surface glossiness and hardness.However,the fast cross-linked formation of the film will also reduce the drying speed and increase the cost of the enterprises in application.On the whole,the waterborne polyurethane acrylate was better than waterborne polyacrylate and the fast drying high cross linked waterborne polyurethane acrylate was one of the most important research directions of the waterborne wood finishing coating.

waterborne coating;wood products;film-forming resin;film performance

TS664

A

2096-1359(2017)05-0138-05

2016-11-02

2017-03-14

江苏省高校自然科学研究项目(14KJB220007)；江苏省自然科学基金青年基金(BK20150887)。

张岱远，男，研究方向为水性木器涂料改性与工艺优化。

申黎明，男，教授。E-mail:zhangdaiyuan1989@hotmail.com