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        水性文庫丨水性雙組分聚氨酯面漆起泡原因分析
        發布日期:2018/3/7 15:22:59     作者:    已有  閱讀過本文


        引言


        2015 年,我國涂料產量為1 717.57 萬t,其中超過一半的傳統溶劑型涂料產生的大量VOC 排放對環境和人類身體健康造成了一定程度的危害。隨著人類對VOC 危害性的認識和對環境保護的重視,世界各國紛紛出臺法規嚴格限制VOC 的排放。如歐盟Directive.99/13/CE 法規;德國AT-luft 法規(大氣凈化法1992);美國的66 法規,CAA(空氣潔凈法1970 )、CAAA(空氣潔凈法修正案1990);我國2015 年1 月26 日由國家財政部和稅務總局也發布了財稅[2015]16 文《關于對電池、涂料征收消費稅的通知》,通知要求對所有涂料在施工狀態下揮發性有機物(VOC)含量>420 g/L 的涂料征收4%消費稅。涂料進入了以降低VOC 為主要目的的發展時代,其中降低VOC 的方法之一是使涂料水性化,隨著不同涂層的水性化,其VOC 的排放量在不斷降低。


        水性雙組分聚氨酯面漆以水作為分散介質,不僅具有無毒、不燃、不污染環境、節省能源等優點,同時涂膜性能、耐溶劑性和耐化學性可與溶劑型雙組分聚氨酯涂料相媲美,受到涂料行業的廣泛關注。但是水性雙組分聚氨酯漆在干燥成膜過程中特別是涂層較厚時,很容易產生氣泡,形成起泡、縮孔、針孔、疵點等弊病,嚴重降低涂層的保護和裝飾性能。造成起泡的原因相當復雜,一般是由于涂料上層上的水部分揮發后黏度迅速上升,使得下層水不易揮發出去,而留在涂層中,一旦溫度再升高,便可突發性地氣化形成氣泡冒出來,并在表面被穩定和截留,即使氣泡沖出表面,由于不能流平,也會留下缺陷(例如針孔);還有一些副反應也會使漆膜起泡等。解決水性雙組分聚氨酯涂料的起泡問題是推動水性雙組分聚氨酯涂料廣泛應用的一個重要前提。本文主要從閃干時間、膜厚、溶劑揮發量等方面的實驗,提出一些措施來避免起泡的問題。


        1 實驗

        1.1 主要原材料


        水性丙烯酸分散體、聚氨酯固化劑(XD803,柏斯托公司)、金紅石型鈦白、去離子水、分散劑、潤濕劑、流平劑、消泡劑和增稠劑。


        1.2 制漆配方


        水性雙組分聚氨酯面漆的配方見表1。


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        1.3 制漆、施工及干燥工藝


        打漿:先將A1 部分的去離子水、分散劑、潤濕劑、金紅石型鈦白、消泡劑投入砂磨,在2 500 r/min 下高速分散研磨1 h 左右,細度至10 μm 以下,制得水性漿。


        制漆:然后將A2 部分的水性丙烯酸樹脂、流平劑、潤濕劑、消泡劑、增稠劑按配方量加入到調漆釜與水性漿混合,在2 000 r/min 下高速分散至混合均勻,得到A 組分。


        施工:將A 組分與B 組分混合[n (—NCO)/ n (—OH)=1.4],并分散均勻;最后加入適量去離子水稀釋調至合適黏度后制板。


        干燥條件:室溫閃干相應的時間,之后65 ℃條件下烘烤1 h。


        2 結果與討論


        2.1 水性雙組分聚氨酯成膜機理


        水性雙組分聚氨酯體系涂料的基本交聯反應為:

        HO—R1(多元醇樹脂)+ R—NCO (異氰酸酯樹脂)→ R—NH—CO—O—R1 式(1)


        異氰酸酯樹脂與多元醇樹脂混合后即發生以上化學反應形成網狀結構。要形成良好的膜主要經歷以下幾個步驟:


        漆膜弊病的產生是涂料噴涂后, 由于漆膜表面溶劑揮發速度快于內部, 故表面漆膜交聯反應速度也稍快于內部。如果小相對分子質量物質及產生的氣體可以在表面漆膜交聯之前揮發,則可避免產生針孔、暗泡等瑕疵。在水性雙組分聚氨酯體系涂料中還存在一種副反應,反應產生CO2,它也是水性雙組分聚氨酯體系涂料形成針孔、暗泡等漆膜弊病的主要原因之一,所以如何防治CO2 的產生及溢出也就顯得比較重要。副反應的反應式為:

        R—NCO (異氰酸酯樹脂) + H2O→ R—NH2 + CO2↑ 式(2)


        2.2 成膜樹脂的影響


        水性雙組分聚氨酯面漆的成膜樹脂為水性丙烯酸樹脂和聚氨酯。水性丙烯酸樹脂依據制備方式的不同,通??煞譃? 類:乳液型和分散體型。乳液型是丙烯酸酯類單體在水中使用乳化劑進行乳液聚合直接制得;分散體型是通過丙烯酸及其它單體在合適的溶劑中聚合,經中和加水乳化制得。乳液型具有較快的干燥速度,但光澤不好,而分散體型正好相反。作為面漆,一般選用光澤較好的水性丙烯酸分散體型樹脂作為成膜樹脂。選用幾種樹脂制漆,對光澤進行對比,數據見表2。


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        從上面數據看出XK540 與A2470 復配光澤為86.3/91.6,光澤數據最高,下面采用該組樹脂體系進行相關的實驗。


        2.3 閃干時間的影響


        為了減少氣泡的產生, 都要保證濕漆膜在室溫條件下有一定時間的溶劑揮發時間(稱為閃干時間或流平時間),即延長進烘箱前干燥的時間,一般認為增加閃干時間是避免或減輕涂裝中針孔、暗泡產生最方便和有效的方法。因為對于水性雙組分聚氨酯面漆漆膜厚度<40 μm 時一般不會產生針孔,而>40 μm 就很容易產生針孔,主要原因是當漆膜表干時,漆膜內的溶劑(主要為水),尚未完全溢出。在烘烤過程中溢出,最后產生漆膜缺陷。在本實驗中,使干漆膜厚度為(40±3) μm,考察閃干時間對漆膜起泡的影響,實驗結果見表3。


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        由表3 可知, XK540 與A2470 復配的面漆,施工后室溫閃干至少20 min,漆膜才能平整光滑,沒有缺陷。


        2.4 漆膜厚度的影響


        漆膜厚度越厚,漆膜下部的水越不容易揮發,本實驗主要考察了一系列漆膜厚度,在不同閃干時間下,對漆膜起泡的影響,實驗結果見表4。


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        由表4 可知,XK540 與A2470 復配體系, 漆膜厚度在40 μm 左右時,閃干20 min 漆膜平整光滑,不起泡。當漆膜厚度>80 μm 時,閃干時間至少90 min。說明漆膜厚度增大之后,漆膜表面已經表干,但內部的溶劑(主要為水)、副反應產生的氣體(CO2)等易揮發物質還沒有完全溢出,在后面的干燥過程中,將漆膜表面頂起形成小泡。因此,在實際涂裝時,要想獲得比較好的漆膜(≥60μm),至少要室溫閃干1 h。


        2.5 溶劑揮發量的影響


        前面討論了漆膜起泡與閃干時間、漆膜厚度的關系,這些都與溶劑的揮發量成正比。涂料被施工后,設定濕漆膜的溶劑含量為100%,試驗溶劑揮發量與時間的關系,考察其對漆膜外觀的影響,見圖1。從圖1 看出,當膜厚為30~40 μm 時,在室溫下閃干脫水率達到50%,再放入65 ℃烘箱強制干燥,即可不起泡。當漆膜厚度增加到>60 μm 后,脫水率要超過90%,才能不起泡。說明水性雙組分聚氨酯面漆在施工過程中漆膜厚度最好控制在<40 μm,否則很容易出現漆膜弊病。


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        3 結語


        對于水性雙組分聚氨酯面漆, 首先選擇光澤較好的樹脂體系。在施工中,當漆膜膜厚<40 μm 時,閃干時間至少需要20 min。當漆膜厚度>40 μm 時,閃干時間要足夠長,保證濕漆膜中溶劑(主要是水)的揮發量達到一定值才可強制干燥,最后得到理想的漆膜。


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