一种双重固化水性木器清漆的研制

张兴桥 （上海缘禾化工有限公司 ，上海 201210）

0 引言

在当前环保要求如此严峻的形势之下，发展绿色、环保、高效的水性涂料已成为涂料行业发展的主要方向之一，木器涂料行业的发展亦然。尤其是将水性木器漆应用于翻新重涂领域，如：居家环境、宾馆、酒店、店铺等需快速涂装并即刻投入使用的场所备受青睐。基于翻新涂装中的各种应用面的涂刷与最终使用对漆膜性能的要求，很难以一款水性木器漆满足各类装饰家具，如：地板、餐桌、卧房家具、护墙板等的使用要求。特别是水性木器漆漆膜的实干时间较长，使其快速投入使用的高效性大打折扣。

紫外光固化水性涂料结合了水性涂料和光固化涂料的优点，近年来得到迅速发展。它不仅有利于环境保护，而且具有固化速度快的特点，缩短施工周期，提高涂装效率，符合当今资本市场快速运作的需求。但对于具有多个面且结构复杂的涂装工件表面的辐射固化，因受限于光的直线传播特性，即便使用便携式光源恐怕也很难达到其要求。因此设计一种既能紫外光固化又能单独交联反应固化的双重固化的水性木器清漆显得尤为重要，可以作为单一紫外光固化涂料因曝光不足而导致漆膜性能降低的弊端的补充和控制。

1 试验部分

1.1 原材料

成膜物质：不饱和丙烯酸聚氨酯乳液、自交联型丙烯酸乳液、氮丙啶固化剂；成膜助剂：二丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚；其他助剂：润湿剂、消泡剂、杀菌剂、消光粉、蜡浆等。

1.2 仪器设备

砂磨分散多用机、电子秤、喷枪、铅笔硬度计、百格刀、光泽仪。

1.3 样板制备

按表1配方制备涂料后制板。样板制备条件：旧涂层用320#砂纸打磨→将涂料施工黏度调节至25～35 s（涂-4#杯，25 ℃）→喷涂施工，涂布量为90～100 g/m2→常温流平2～3 min→干燥：（50±2）℃，15 min→紫外光固化：能量为300 mJ/m2，照射时间3～5 s。

表1 双重固化清漆配方实例Table 1 An example of dual curing varnish formulation

2 结果与讨论

2.1 水性UV树脂的筛选

本研究首先对自行研发合成的5支不饱和丙烯酸乳液设计基础配方并进行基本性能评估测试。测试项目包括：漆膜的机械性能、耐化学品性、干燥时间、表干状态等。同时在各类旧涂层，如溶剂型双组分聚氨酯、硝基漆、水性涂层、UV涂层上的附着力也是本次基础评估测试的关注重点。

测试样板1制备条件：旧涂层用320#砂纸打磨→将施工黏度调节至25～35 s（涂-4#杯/25 ℃）→喷涂施工，涂布量为90～100 g/m2，干燥条件：室温，7 d。

测试样板2制备条件：旧涂层用320#砂纸打磨→将施工黏度调节至25～35 s（涂-4#杯/25 ℃）→喷涂施工，涂布量为90～100 g/m2→常温流平2～3 min→干燥：（50±2）℃，15 min→紫外光固化：能量为300 mJ/m2，照射时间3～5 s。

水性UV丙烯酸乳液基本性能评估测试结果如表2所示。由表2可见，4#乳液在室温干燥条件下漆膜基础性能相对于其他乳液良好，且紫外光照射固化条件下仍表现出良好的漆膜综合性能，但漆膜的柔韧性及附着力还有待进一步提升，后期自交联固化乳液混拼筛选时，需考虑混拼乳液对其性能的影响。

表2 水性UV丙烯酸乳液基本性能评估测试结果Table 2 The basic performance evaluation test results of aqueous UV acrylic emulsion

2.2 混拼自交联乳液的筛选与评价

自交联乳液的干燥速度、漆膜的耐化学品性、机械性能、早期耐水性、漆膜外观以及与UV乳液的相容性等性能，都是其与水性UV乳液混拼筛选的考量要素。本研究选用了市售的A、B、C、D、E 5支乳液，分别与4#水性UV丙烯酸乳液按照质量比1∶1进行混拼，氮丙啶交联剂的用量为配方总量的1%，分别对UV固化、室温自干交联固化及UV固化+自交联固化3个条件下的漆膜性能进行测试，所有测试均基于混拼乳液热贮存稳定性良好的前提下，测试结果见表3。

由表3可见，自交联乳液C与4#水性UV乳液混拼后，漆膜具有良好的耐化学品性及机械性能。在3种固化条件下，双重固化因素对漆膜性能的促进作用均大于单一固化因素；单一因素条件下漆膜的性能主要受紫外光固化影响，交联固化其次，即漆膜性能的影响因素为：双重固化＞紫外光固化＞交联固化。同时不管漆膜以何种方式交联固化，最终的漆膜均能满足使用的基本性能要求。后续将针对其不同的应用领域进行完整的漆膜全性能评估测试。

表3 混拼乳液漆膜基本性能测试结果Table 3 The basic performance test results of the mixed emulsion film

2.3 交联剂——氮丙啶的用量确定

氮丙啶交联剂分子中含有2个或2个以上的氮丙啶三元环，可与羧基—COOH、氨基等发生交联反应，其反应过程如下：

氮丙啶交联剂使用于水性涂料配方中具有以下优点：（1）提高漆膜的耐化学品性；（2）少量的添加对涂料配方成本影响较小；（3）施工调漆时交联剂的加入不会影响涂料的流变特性；（4）不影响漆膜的表干性能，可避免因黏连的漆膜长期暴露在环境中附着尘埃与颗粒杂质，影响漆膜的表观效果。

本研究采用单一的自交联乳液C设计基础漆配方，采用市售的氮丙啶产品CX-100为交联剂，考察氮丙啶的用量对漆膜机械性能的影响，试验结果见表4。表4结果表明：氮丙啶用量从0.2%增加到1.0%时，漆膜的机械性能随之增强，当其用量为2.0%时，漆膜的机械性能上升显著；氮丙啶用量增加至2.5%时，漆膜的机械性能反而出现明显下降；而后随其用量增加至3%时，漆膜的机械性能又逐渐回升，综合考虑，氮丙啶用量以2.0%为宜。

表4 氮丙啶用量对漆膜机械性能的影响Table 4 The effect of aziridine content on the film mechanical behavior

2.4 光引发剂的筛选

光引发剂是光固化涂料的关键组分，它是一种能吸收辐射能，经激光发生化学变化，产生具有引发聚合能力的活性中间体（自由基或阳离子）的物质。在光固化涂料中，光引发剂的添加比例一般占整个涂料配方的3%～10%（质量比）。大部分光固化体系以自由基聚合为主。

本研究在筛选光引发剂的过程中，采用单一的水性UV丙烯酸乳液制备基础漆进行试验，因考虑最终主要应用于家装翻新重涂，故将漆膜厚度、曝光距离、曝光时间作为3个关键的影响因素，以它们为变量考察漆膜的耐醇性、附着力、耐冲击性、弯曲性、铅笔硬度和耐黄变性，对4种不同的光引发剂进行了正交试验，试验结果如表5所示。

针对此次正交试验，进一步对耐醇性、耐冲击性、弯曲性做了直观数据分析，结果如表6～8所示。

表5 光引发剂的筛选试验Table 5 Photoinitiator screening test

表6 漆膜耐醇性直观数据分析Table 6 Alcohol resistance of film visual data analysis

表7 漆膜耐冲击性直观数据分析Table 7 Film impact resistance visual data analysis

表8 漆膜弯曲性直观数据分析Table 8 Film bending properties visual data analysis

表6～8表明：影响漆膜耐醇性的主要因素依次为：曝光距离＞漆膜厚度=曝光时间＞光引发剂；其中优化因素为：引发剂，TPO-L；漆膜厚度，300 μm；曝光时间，2 s；曝光距离，5 cm。影响漆膜耐冲击性的主要因素依次为：曝光距离＞漆膜厚度=曝光时间＞光引发剂；优化因素为：光引发剂，BP；漆膜厚度，200 μm；曝光距离，10 cm；曝光时间，2 s。各因素对漆膜弯曲性无明显影响；优化因素为：光引发剂，BP；漆膜厚度，200 μm；曝光距离，15 cm；曝光时间，4 s。试验结果表明，TPO-L是基于正交试验筛选下的最佳因素，故我们在配方中选用TPO-L作为光引发剂。

2.5 性能指标

按表1配方制备的双重固化清漆漆膜的性能检测结果见表9。

表9 双重固化清漆漆膜的性能测试结果Table 9 The performance test results of the film withUV-curing and crosslinking curing

由表9可见，水性UV清漆涂布在经打磨处理后的旧涂层基材（硝基底漆、溶剂型2KPU底漆、溶剂型UV底漆、水性单组分底漆、水性UV底漆）上经表干UV固化后，黏附力较强、各项物理机械性能较好、耐污性优异。另外，该双重固化漆膜在室温环境中自干也能够交联固化，其固化后的漆膜性能也能满足家庭装饰漆使用国标的基本性能要求，即该产品在用于翻新重涂领域施工中，针对结构复杂不易紫外光辐射固化的表面经交联固化后漆膜性能同样能满足GB/T 23999—2009中C类涂料的标准要求；针对地板平面的翻新，经紫外光辐射固化的漆膜性能可满足GB/T 23999—2009中A类涂料的标准要求。

采用美国橱柜生产协会（KCMA）的测试标准对紫外光固化漆膜进行了耐沾污性测试，测试结果如表10所示。采用了平面朝上测试，而标准中是模拟橱柜门板直立测试，故测试过程严于标准，具体过程如下：在待测漆膜表面上放上以下测试物质3 mL：红酒、醋、桔子汁、葡萄汁、蕃茄酱、咖啡、橄榄油、纯酒精、50%酒精和纯水，测试24 h，芥末测试1 h。保持测试物质到规定时间，然后用水冲洗样板并用干净抹布擦干。按照测试标准，漆膜不应有显著的变色、斑点、发白，且通过普通抛光后不能扩散开。KCMA耐沾污测试结果见表10。由表10可见，双重固化清漆通过了KCMA的测试要求和木地板标准要求。

表10 KCMA耐沾污性测试结果Table 10 KCMA stain test results

3 结语

本研究分别从不饱和乳液、自交联乳液、氮丙啶交联剂用量以及光引发剂的筛选等方面论述了可参与紫外光固化和自交联固化的双重固化水性清漆的研发过程，通过设计基础漆配方制备漆膜，以及对漆膜基本性能的对比测试，最终确定了可双重固化水性木器清漆的配方。以4#不饱和水性乳液和自交联丙烯酸乳液C为基础的树脂体系，采用市售常规的CX-100氮丙啶作为交联剂，通过漆膜机械性能表征确定其在配方中的最佳添加量为自交联乳液的2.0%。通过正交试验考察了光引发剂、漆膜厚度、曝光距离、曝光时间对漆膜耐醇性、耐冲击性、弯曲性、铅笔硬度等性能的影响，结果表明：不同因素对漆膜性能的影响程度不同，如漆膜的耐醇性主要受曝光距离影响，而漆膜的耐冲击性主要受漆膜厚度影响。通过对漆膜的性能测试发现：单一的紫外光固化后的漆膜的物理机械性能和耐化学品性能已能满足大部分木制品表面应用的需求。氮丙啶固化剂的交联固化只是对未辐射固化漆膜的性能的提升与补充，用来解决复杂结构家具表面的翻新涂装问题。

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Abstract：The preparation process of waterborne wood varnis h that can s imultaneously participate in UV curing and crosslink curing of acrylate-aziridine was introduced. The comprehensive design of the formula was carried out from the key raw material type，main emulsion proportion，UV curing conditions，curing agent addition amount，physical drying conditions and other factors. The comprehensive performance of film was characterized from the aspects of mechanical properties，chemical resistance，old coating adhesion and so on under single curing/dual curing conditions. Furthermore，in the practical application of the UV curable waterborne wood coatings，to solve that due to the abnormal structure led to the coating surface ultraviolet radiation does not fully influence the film performance and other disadvantages.

Key Words：waterborne wood coatings；crosslinking agent；dual curing

“2018涂料行业荣格技术创新奖”评选圆满落幕

5月16日，备受业界关注的“2018涂料行业荣格技术创新奖”评选结果在上海宝华万豪酒店正式揭晓。经过来自涂料行业专家组成的资深评委团的独立评审决议，并参考报名产品的在线投票结果（微信和网络），最终将本年度技术创新大奖授予26家国内外知名企业，其中，阿克苏诺贝尔“Bord”团队凭借其研发的“Interpon超耐久型3D高闪粉末涂料”夺得“年度创新团队”奖。

作为一个评选创新技术的奖项，荣格技术创新奖本身也在不断地发展和创新中。“2018涂料行业荣格技术创新奖”有3大亮点：第一，今年的涂料创新奖全新设置了“环境友好涂料”这一类别，该类别旨在鼓励涂料行业在开发涂料产品的创新过程中，除了关注涂料产品本身的性能指标以外，还需花更多的精力在产品对环境发展的积极影响方面；第二，在评选方式上更为开放，除了采纳专家评审团的意见，更多地参考了来自微信和网站的投票，这一环节得到了超过5 000名用户的关注；第三，客户在提交资料时更加注重第三方证明材料，除了产品基本性能及创新点的描述外，还需提供专利证明及实验数据，这也是评委团判断产品创新与否最重要的标准。

今年是荣格进入中国20周年，总裁马国熙先生现场为与荣格合作20周年的客户颁发了“20年忠城合作伙伴”奖杯，感谢他们一直以来的支持。