提高丙烯酸树脂的耐候性研究

2022-04-07陈燕

科技创新导报 2022年21期

陈燕

（恩希爱（杭州）薄膜有限公司浙江杭州 311231）

丙烯酸树脂材料具备耐候性、抗老化及耐腐蚀性等优势特性，研究发现，其耐候性能最为显著，为制作成膜剂的主要材料，还能够作为改性剂，高度突显出涂层的保色性、保光性、耐候性，涂层的效果优良，可以表现出较强的装饰作用。丙烯酸树脂涂层具有较高的平整性和丰满性，外层耐磨度、耐污度都较高。

1 丙烯酸树脂的分类

1.1 以生产方式分类

丙烯酸树脂按照生产方式分类，以乳液聚合和悬浮聚合、本体聚合为主。乳液聚合是一种以单体和引发剂、蒸馏水反应聚合形成的丙烯酸树脂，这种树脂通常有50%的乳液及50%的水，呈乳胶溶液状态，有乳白泛蓝的丁达尔现象，玻璃化温度采用FOX 公式设计，乳液分子量大，属于环保型乳液。悬浮聚合的生产工艺非常复杂，通常制作的树脂是固体状态，由甲基丙烯酸酯反应形成，这种物质有官能团，反应釜中的反应控制难度较大，产品质量要进行严格的控制。本体聚合的生产工艺效率高，制备时，主要将原料放在特殊塑料薄膜中，使其反应成为结块状，通过粉碎和过滤，形成固体丙烯酸树脂，具有较好的纯度和稳定性，但对溶剂溶解性较低，颜料分散性欠佳。

1.2 以成膜机理分类

丙烯酸树脂通常分为热塑性丙烯酸树脂和热固性丙烯酸树脂。前者是在成膜过程中无进一步交联，相对分子量偏大，使用后的保光效果好，具有较强的保色性能，可以耐水、耐化学物质侵蚀，无需较长时间的干燥，施工操作简单、便捷，如果施工有缺陷或不达标，则可以重新涂饰，容易进行返工。实践研究显示，热塑性丙烯酸树脂在制备铝粉漆时的稳定性好，具有较强的铝粉白度，同时，铝粉的定位性佳，这种丙烯酸树脂通常用在汽车和机械、建筑及电器等领域。后者是一种具有官能团的结构，制漆时，要添加环氧树脂和氨基树脂等，用其具有的官能团进行反应，促使丙烯酸形成网状结构，这类树脂的分子量低，丰满度好，光泽和硬度等指标优异，具有良好的耐溶剂性和耐候性，高温烘烤条件下不会发生变色的问题，泛黄的风险低。热固性丙烯酸树脂与氨基酸树脂结合形成氨基-丙烯酸烤漆，这种漆主要在自行车和卷钢、摩托车等方面使用，具有较高的使用价值。

1.3 以分散介质分类

分散介质不同，则丙烯酸树脂的性质存在差异，通常包括油性丙烯酸树脂和水性丙烯酸树脂。前者通常包括固体与液态，如果树脂固体含量超过30%，则表现为固体油性丙烯酸树脂。通常，丙烯酸树脂的固体含量高，说明含有的溶剂量少，市场应用更为广泛。后者一般分为固体与液态，这种树脂的节能环保特点明显，同时，采买价格较低。涂料行业中运用的树脂大都是这类丙烯酸树脂。水性固体丙烯酸树脂以固态的形式存在，我国对这种丙烯酸树脂的生产量不高，各大行业中的使用量较少，主要用于纸张上光油与印刷油墨领域，少部分领域需要采用特殊性质的热塑性固体丙烯酸树脂，因为这种丙烯酸树脂能发挥独特的性能。

2 丙烯酸树脂耐候性试验方法要点

耐候性试验是产品配方优化的关键，尤其是丙烯酸树脂材料要高度重视耐候性试验，如涂料、汽车安全玻璃等，要按照产品的标准要求进行严格的耐候性试验。丙烯酸树脂材料发生老化的关键点是阳光与潮湿等不良环境，材料耐候性试验要对阳光、雨露等自然因素造成的危害进行试验［1］。采用氙灯进行阳光模拟，照射丙烯酸树脂材料或产品，以冷凝湿气作为雨水与露水，将接受检测的材料或产品置于试验箱内，使其接受光照与潮气。注意保持这两种自然环境交替循环，在模拟自然环境不断循环的状态下周期性检测，这种模拟环境能有效验证丙烯酸树脂材料或产品的耐候性。丙烯酸树脂耐候性试验可以在短时间内了解到材料的危害情况，以数天或者数周时间，验证丙烯酸树脂材料在户外数月、数年的危害情况，这种人工加速的老化试验可获得大量的数据，并且数据的真实性高，试验人员根据数据采用新的材料，再对材料进行合理的改造，综合评价采用的配方对丙烯酸树脂产品耐久性造成的影响，及时调整配方，全面评估配方变化对丙烯酸树脂产品质量和耐候性造成的影响。

丙烯酸树脂材料耐候性试验比较理想的方法是自然气候老化试验，这种试验方法得出的数据和结果可靠性强，无需较大的试验费用，各项试验操作简单便捷。但自然气候老化试验对场地的要求很严格，需要保持阳光充足和暴露性好，自然气候老化试验需要较长的时间才能获得数据。例如，需要1年时间才能得到比较可靠的数据，而实际的丙烯酸树脂材料耐候性试验需要短时间获得结果，等待时间不能过长，所以，通常要采用人工加速老化试验，这种耐候性试验的时间短，获得的数据比较理想，无需耗费较长时间便可得到结果。

3 丙烯酸树脂的改性

3.1 丙烯酸树脂单体耐候性特点

本文主要以聚丙烯酸树脂为例。聚丙烯酸树脂属于一种高分子化合物，这种化合物是采用丙烯酸树脂单体制成，具有中硬性的特点，用于涂饰中的优势高。但因为树脂的结构性能，导致丙烯酸树脂的耐热、耐寒性能欠佳，不具有较强的耐磨性能，防水性能较差。树脂的成分包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸等，形成的结构呈现为线型状，形成的薄膜理化性能主要有抗张强度和延伸率等方面特点，前者表现为抗张强度为100～160g/mm2，后者在720%～900%，脆折点约为-5℃。并且树脂的耐热耐磨程度欠佳，不具有较强的耐寒性能和防水性能，有不耐溶剂的特点，抗张强度总体欠佳。树脂改性要注重上述特点，综合考虑树脂性能特点和材料使用等方面，严格把控丙烯酸树脂改性过程。

3.2 丙烯酸树脂改性工艺技术

3.2.1 纳米材料与丙烯酸单体原位聚合反应

丙烯酸树脂改性工艺技术较多，主要采用松香和植物油、聚酯、酚醛，以及醇酸、环氧、有机硅等物质复合丙烯酸树脂进行改性，通过改性提高丙烯酸树脂的性能，或者赋予丙烯酸树脂新的性能。纳米材料与丙烯酸单体进行原位聚合反应，这种技术能对丙烯酸树脂进行有效改性，通常可采用纳米SiO2的Si-OH、聚丙二醇、异佛尔酮二异氰酸酯和丙烯酸羟乙酯结合，使其产生原位聚合反应，经此形成含有SiO2/PU的纳米丙烯酸酯聚合物［2］。由于纳米材料的分散性能良好，无团聚的特点，聚合反应后能形成UV 固化，这时能有效改善涂膜耐热性，使丙烯酸树脂材料的硬度明显提高。

原位乳液聚合是一种丙烯酸树脂耐候性改善的有效手段，通常采用甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸正丁酯/纳米碳酸钙，对丙烯酸树脂材料实施原位乳液聚合，使其形成纳米复合乳液，以比例调整与醇酸乳液对其实施杂化改性，这种改性可能导致丙烯酸树脂材料的耐冲击性能稍微弱化，但能明显增强涂膜光泽度，使涂膜的硬度显著强化，附着能力也明显提高。经实践研究显示，甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯的比例为1∶1，采用4%的纳米碳酸钙和50%的醇酸乳液，能使丙烯酸树脂材料的性能最佳，这是纳米材料与丙烯酸单体原位聚合反应改性的最佳配方。

3.2.2 丙烯酸与醇酸树脂杂化技术

丙烯酸与醇酸树脂杂化改性技术主要用于水性丙烯酸树脂材料，能有效改性水性醇酸树脂涂料的特点，使其耐候性得到有效改善。以丙烯酸对水性醇酸树脂进行改性后，能改善材料的渗透性，醇酸乳液有良好的光泽度，可更好地渗透木材等材料，获得的乳液材料有快干的特点，使用过程中有保光的优势，能较长时间发挥保色作用，醇酸乳液的不良特点得到有效改善，如干燥速度慢的问题得到有效解决。在改性的过程中，应注意不能把丙烯酸乳液、醇酸乳液机械地进行简单混合，要注重其他方面的把控，避免混合搅拌停止后材料出现分层的问题，杂化技术能有效防止上述问题的出现［3］。

目前，可实现丙烯酸与醇酸树脂杂化改性的工艺技术较多。例如，醇酸树脂保持低聚物状态，将其和丙烯酸单体结合以形成聚合反应，乳化后能获得良好的耐候性；或在丙烯酸乳液状态下，加醇酸树脂低聚物产生聚合反应。通常，丙烯酸与醇酸树脂杂化技术改性可用常规乳液聚合反应，或者加用低分子质量的甲基丙烯酸甲酯实现细乳液聚合反应，这种方法能有效提高丙烯酸树脂材料的稳定性，强化涂膜的性能。

3.2.3 紫外光固化工艺

紫外光固化丙烯酸树脂材料的工艺分为阳离子和阴离子固化。常用的固化工艺是阴离子固化，因为丙烯酸树脂中有丙烯酰氧基，这种氧基能产生自由基，从而使紫外光固化丙烯酸树脂材料的工艺能有效实现。一般在紫外光固化丙烯酸树脂涂料过程中，可以采用的品种较多，如丙烯酸-环氧和丙烯酸-有机硅、丙烯酸-聚酯等，能使丙烯酸树脂材料的耐候性得到有效改善。紫外光固化丙烯酸树脂涂料工艺实现时，要注重涂料抗沾污性和耐候性的改善，有效加强涂料的化学抗性，常用的紫外光固化改性材料较多。例如，采用氟材料进行改性，同时也具有较多的技术途径，氟化丙烯酸酯现已商品化，采用氟化丙烯酸酯制成具备氟分子的紫外光固化丙烯酸树脂材料，或者制备丙烯酸-环氧涂料，这种方法能有效提高丙烯酸树脂材料的耐候性，同时深度增强丙烯酸树脂材料的抗沾污性，使材料的整体性能有效增强。采用氟化多元醇与多异氰酸酯反应，这种物质中加入丙烯酰的氧基，便可得到紫外光固化的聚氨酯-丙烯酸酯，材料的耐候性得到明显改善。氟化多异氰酸酯以紫外光固化能制成丙烯酸-聚氨酯，这种物质的耐候性强，性能得到深度改良，但不利于产业化发展，因为原料的成本较高，选择时，要注意综合考虑产品特性和经济效益。

4 丙烯酸树脂材料耐候性试验

4.1 打底层粘附

丙烯酸树脂材料会直接和物品接触，这种涂层要求黏合力强，薄膜的柔软性良好，具备良好的弹性，有较好的耐寒性，能抗溶剂。加工物品的过程中会进行磨面等处理，使粒面被去除掉，再用树脂材料对物品中进行填充。应注意在填充时不能太深，只要将物体的表面有效封闭即可，避免着色层向物品中不断渗透，防止着色涂层的膜厚变薄，保证物品的涂饰效果良好，严格把控涂层的渗透深度，保证物品表面形成膜物质封闭的效果，阻止涂层过程中出现裂浆，确保涂层的效果［4］。本次用甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯涂层的效果显著，这种物质作为底浆的优势明显，涂层后的底层效果良好，未见材料渗入物品深层，物品的封闭效果良好，粘附力强，说明丙烯酸树脂涂料的耐候性明显改善。

4.2 中层着色

物品涂饰要注重着色，通常要选择适宜的颜料对物品的表面进行着色，以达到遮饰的效果，保持涂饰的薄膜色泽鲜艳度良好，涂饰均匀且细致，确保涂料和底层的薄膜有良好的黏合力，注意保证薄膜的硬度。通常，用于中层着色的丙烯酸树脂涂料硬度要良好，具备良好的抗张强度，同时耐磨性强，延伸性和吸水性弱，耐寒性强，并有着较强的抗溶剂性。中层着色的涂料要具备较强的遮饰能力，流平性良好，具备较好的成膜性，保证成膜的光泽度和均匀性。丙烯酸树脂单体材料的耐热度不够，粘附力较低，薄膜强度欠佳，不能有效地耐磨，且耐溶剂性差。本次用丙烯酸与醇酸树脂杂化技术改性的丙烯酸树脂涂料改性效果显著，涂料的光泽度和硬度明显改善，有较强的耐热性和耐寒性，说明丙烯酸与醇酸树脂杂化技术能对丙烯酸树脂的耐候性进行有效改善。

4.3 光亮顶层

物品的顶层光亮度非常关键，采用的涂料要具备良好的观感性能，且耐干的性能高，具备良好的耐磨性能，黏合力强，硬度要高，光泽度好，抗水性能强。注意，光亮顶层的涂料要选择无色的材料，但也可以添加水不溶性染料对颜色进行改善，更好地改善涂料的色泽，防止施工过程中发生脱色的问题。聚丙烯酸树脂是光亮顶层的常用涂料，通常采用加入适当的光亮剂即可，这种方法能有效改善顶层涂层的效果。本次用紫外光固化工艺处理的丙烯酸树脂涂料，其耐候性显著改善，涂装效率明显提高，顶层的光泽度充分改善，得到有效保持［5-6］。