水性丙烯酸木器漆及其改性的应用

水性丙烯酸木器漆及其改性的应用
摘要：本文集中介绍水性丙烯酸在木器用漆方面的应用、制作流程及配方，由于传统配方制作出的纯水性丙烯酸木器漆有“热粘冷脆”、耐溶性、耐湿擦性和耐磨性较差等缺点，故需对其进行改性调整以加强其性能。

通过结合丙烯酸漆和水性聚氨酯各自的优势，对其进行聚合改性，即可得到性能优异、性价比高的水性聚氨酯改性丙烯酸木器漆。

关键字：水性丙烯酸木器漆聚氨酯改性
1.引言
丙烯酸树脂是指丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的均聚物和与其他烯类单体的共聚物。

丙烯酸漆是以丙烯酸树脂为基础的涂料，由于丙烯酸树脂的性能十分优异，所以凡是配方中含有丙烯酸树脂，都会加上丙烯酸三个字，如丙烯酸醇酸漆、丙烯酸氨基漆、丙烯酸硝基漆、丙烯酸聚氨酯等。

如果只采用丙烯酸树脂制成的漆往往就称为丙烯酸漆。

与其他合成高分子树脂相比，丙烯酸树脂具有许多突出的优点，如优异的耐光、耐候性，户外暴晒耐久性强，耐紫外光照射不宜分解变黄，能长期保持原有的关则和色泽等优良特性。

在木器用漆方面，丙烯酸树脂涂料光泽、价格低廉等特性更是被广泛应用于中低档木器之上。

但耐磨性和抗化学性较差，由于光泽差难以制作高光度的漆，而且硬度一般、成膜性能较差，若对其进行聚氨酯改性，便可获得聚氨酯其的优势，在不大幅增加成本的同时弥补其缺点。

2.水性丙烯酸树脂涂料
2.1丙烯酸树脂的性能和特点
丙烯酸酯涂料按所采用的聚合单体不同，可分为全丙、苯丙、醋丙、硅丙及其他改性丙烯酸脂涂料。

对于纯的丙烯酸树脂（尤其是乳液型丙烯酸树脂）有着以下的优点：
（1）以无毒、无味、不燃、不爆、无污染的水为分散介质，不含或仅含少量有机溶剂，且是低毒性。

（2）色浅，一般可以到水白的程度，并有极佳的透明度。

（3）耐光、耐候、户外暴晒耐久性强，耐紫外线照射不容易分解、变黄。

（4）保光、保色性好，能长期保持原有的光泽和色泽。

（5）耐腐蚀，有较好的耐酸、耐碱、耐盐、耐油脂、耐洗涤剂等化学品的玷污以及腐蚀性能。

（6）施工性能好，施工方便，技术容易掌握。

涂膜干燥快，涂料透气性好。

（7）配置的乳液型丙烯酸酯涂料在施工粘度下的固体分较高时，可以一次涂覆厚涂膜，大大提高施工效率。

（8）乳液型分散体系的树脂分子量高，涂膜耐水性、耐碱性和耐候性较好，具有很好的力学性能，使用寿命较长。

丙烯酸树脂不仅可以单独用来制漆，也可以采用丙烯酸树脂和其他树脂拼混，凡是添加丙烯酸树脂的涂料，均可以将丙烯酸树脂的优异性能带入，从而提高涂料的性能，弥补涂料部分性能上的缺陷。

也就带来了丙烯酸树脂改性的无限可能性。

水性丙烯酸酯涂料也有缺点，如在最低成膜温度以下涂料不能形成连续的膜；涂料假速流动，易增稠，涂料流动性和湿膜流平性差；水挥发后粘度迅速上升，涂膜易产生气泡和针
孔；水的表面张力大，涂料对基材的润湿性差，已形成凹凸不平的涂膜；在制涂料和使用过程中，强烈的机械作用力会破坏乳液涂料的稳定性，是涂料絮凝而变质；易遭受微生物破坏。

2.2聚丙烯酸型乳液的制备
聚丙烯酸酯乳液可采用批量法（一次性投料）、全连续法（全滴加）和半连续法（批量法与滴加法的组合）制备。

但在实际生产中，由于丙烯酸酯单体聚合反应放热量大，凝胶效应出现得早，很难采用批量法聚合工艺进行生产，因为一次性加入单体聚合会出现集中放热，反应循环冷却系统不能及时带走反应热，造成反应系统升温，反过来加快反应放出更多的热量，反应很难控制，会发生爆炸和爆聚事故。

而对于涂料用丙烯酸酯乳液的制备一般采用半连续法工艺（如图），即在装有搅拌机、冷却系统、温度计及进样泵的反应釜中加入一定量去离子水和乳化剂等，升温至一定温度。

从乳化罐加入部分乳化单体和引发剂罐加入部分引发剂引发聚合，反应一段时间后，滴加剩余乳化单体及引发剂溶液。

滴加结束后，报文，冷却降温，用氨水调pH值，随后同时加入防菌剂、稳定剂和消泡剂等助剂，最后出料，过滤、包装。

图1 乳液聚合工艺流程
2.3 乳液型丙烯酸酯涂料的配制
乳液型丙烯酸酯涂料的配置操作步骤一般如下：先将水放入高速搅拌机中，在低速下依次加入颜料润湿剂、分散剂、杀菌剂和消泡剂，混合均匀后，慢慢地加入颜料、填料，加完颜料填料后，慢慢提高高速搅拌机搅拌速度，搅拌至颜料分散均匀；然后将分散好的浆料用齿轮泵泵入磨砂机中研磨到规定细度后，然后转到调漆罐中，加入乳液、成膜助剂、增稠剂、防腐剂、pH调节剂等搅拌15～30min，用增稠剂、pH调节剂和少量水调至合适粘度后，过滤出料，整个工艺流程如下图。

图2 乳液型丙烯酸酯涂料的配置流程示意
3.水性丙烯酸木器漆
3.1水性木器漆的概述
水性木器漆是以水作为分散介质的一类涂料。

以传统的溶剂型木器漆相比，水性木器漆具有很多优点，例如：无毒环保，不含苯类等有害溶剂，不含游离TDI；施工简单方便，工作环境干净卫生，且漆膜手感好；耐黄变性好，耐水性优良，不燃烧；可与乳胶漆等其他涂料同时施工等。

具有环保、安全、简便、节能四大特征的水性漆代表着涂料未来的发展方向。

水性漆在国内兴起的时间大约10年，与传统涂料相比，目前水性木器漆在漆膜的丰满度、硬度、耐磨性和手感等方面尚有差距，但是随着水性木器漆改性研发技术的突破，例如水性聚酯木器漆的出现，已经部分或完全解决了以上的这些缺点，使水性木器漆进入了一个飞速发展阶段。

3.2丙烯酸型水性木器漆
水性木器漆除主要成分为丙烯酸之外，还有以水性醇酸树脂为主要成分和以百分之百聚氨酯为成分的水性木器漆，在这里暂不介绍。

含有丙烯酸树脂的水性木器漆主要分以下两类：一类是以丙烯酸为主要成分的水性木器漆。

采用丙烯酸乳液为主要成分，适宜做水性木器底漆、哑光面漆。

该产品主要特点是附着力好，不会加深木器颜色，但耐磨性和抗化学性较差，由于光泽差难以制作高光度的漆，而且硬度一般、成膜性能较差。

因其成本较低且技术含量不高，仍然占有很大市场。

另一类是以丙烯酸与聚氨酯的合成物为主要成分的水性木器漆。

其特点除了秉承丙烯酸漆的特点外，又增加了聚氨酯漆的耐磨性及抗化学性强的特点。

成本比较适中，可以自交联亦可用于双组分体系，硬度好、干燥快、耐磨、耐化学性能好、黄变程度低或不变黄，适合于做亮亚光漆、底漆、户外漆等。

3.3丙烯酸型水性木器漆的配方设计和参考配方
丙烯酸类木器漆包括苯乙烯-丙烯酸共聚树脂类，因其成本低，玻璃化温度高，硬度高，这类产品多用作打磨底漆，也用于要求不高的装饰性涂料或临时保护漆。

目前，在水性丙烯酸树脂合成中常用的技术已由传统的单相聚合法发展为多种成熟的技术，包括单相/多相（嵌段型）、自交联型、无皂聚合物型及含-OH的双组分丙烯酸类等。

通过改变树脂的粒子结构，为漆膜提供了更好的性能，有效降低了成膜助剂的用量；提高硬度和抗粘性；提高对底材的附着力。

当然用于木器漆的普通丙烯酸乳液，仍需一定量的成膜助剂，有的还需要添加增塑
剂，这样体系的VOC很难降低。

成膜助剂会影响到漆膜的耐水性，初期抗粘性也较差，不适
合连续的工业化生产。

不过从综合性能考虑，对于工业化生产可以通过调整设备和工艺条件加以改善，但作为民用装饰漆在较低温度条件下施工，上述问题则较棘手。

自干型丙烯酸乳液属热塑性树脂，成膜温度高，低温下漆膜较脆，且硬度较差，特别是初期抗粘连性差，不适合配置高品质木器漆。

而采用常温自交联乳液，在提高干燥速度及抗粘性等方面都有突破性进展。

目前，NeoResinS公司已经开发出一种无表面活性剂的核-壳丙烯酸乳液（Neoeryl XK-14），其VOC接近“0”，却仍有很好的成膜性。

由于该乳液没有使用表面活性剂，为解决制漆及施工时出现的气泡问题提供了一种捷径。

尽管纯丙烯酸水性木器漆具有众多的缺陷，但其低廉的价格及其足以满足中低档木器涂装的需求的优良性能，还是让其在木器漆市场中占有一席之地。

此类纯丙烯酸水性木器漆可根据上文提到的聚丙烯酸性乳液的配制方法，按不同需求的配方进行配置（木器高光漆配方可参考表1）。

表1 水性木器高光面漆配方
4.水性聚氨酯改性丙烯酸木器漆
4.1聚氨酯改性方法简介
水性聚氨酯涂料具有良好的物理力学性能和优良的耐寒性，是发展较快的绿色环保材料。

但是，单一PU乳液的自增稠性差、固体含量低，如胶膜的耐水性差，光泽行较差、机械强度不及丙烯酸树脂，且成本较高。

而聚丙烯酸酯乳液具有良好的耐水性、物理力学性能和耐候性能。

但纯丙烯酸乳液涂料存在“热粘冷脆”的现象，其耐溶性、耐湿擦性和耐磨性较差。

将聚氨酯乳液与聚丙烯酸酯乳液符合制备水性聚氨酯-聚丙烯酸酯（PUA）复合乳液，兼有聚氨酯乳液和聚丙烯酸酯乳液的优良特性，成本较低，具有较大的应用前景。

聚氨酯改性所采用的具体方法有：共混交联法、核壳乳液聚合法、乳液互传聚合物网络聚合法、乳液共聚合法共四种方法。

在对丙烯酸木器漆的改性中，一般采用核壳乳液聚合法。

4.2改性水性木器涂料选材及配方
（1）树脂的选择
用于水性木器漆的丙烯酸乳液大多是常温自交联型的乳液，品种有纯丙、苯丙和乙丙等。

丙烯酸乳液在聚合过程中，通过引入特殊的交联性单体，采用特殊聚合工艺，如核壳乳液聚合技术，可提高涂膜的物理力学性能。

虽然具有涂膜颜色浅，透明度高，不变黄和涂饰的木器制品不易变色等优点，然而丙烯酸水分散体涂料的外观和耐化学性较差，限制其只能用于中低档的木器产品。

水性聚氨酯分散体的优点是有很好的硬度、耐磨性、耐水性、柔韧性、耐久性和化学性，其缺点是价格昂贵，着大大限制了其在中低档木器上的应用。

（2）成膜助剂的选择
成膜助剂的选择关系到能否得到正常、良好的漆膜，但过多的成膜助剂会影响漆膜的耐
水性和抗粘性。

通过对比醇酯-12、二乙二醇乙醚和Texanol酯醇的性能，Texanol酯醇在质量分数为4.0%时即可成膜光滑，故选择Texanol酯醇作为成膜助剂时效果更好。

（3）润湿流平剂对涂料的影响
丙烯酸乳液的表面张力较高，耐湿性较差，要实现良好的润湿、铺展效果，必须选择适当的基材润湿剂。

基材润湿剂主要为各类表面活性剂：非离子、阴离子、炔二醇类和聚醚改性聚硅氧烷类。

由于聚醚改性聚二甲基硅氧烷类兼具有润湿和消泡的作用，在进行试验比较后，选择涂刷时略有泡，成膜过程中消泡快的BYK-341作为改性配方的润湿平流剂。

（4）蜡乳液类表面处理剂
蜡乳液可提高水性木器涂料涂膜的光滑性、防回粘性和耐水性，还可以保护涂膜表面不受机械磨损的影响，如刮伤和划痕，改善涂膜表面手感。

在相同环境下，分别对采用不同蜡乳液所得到的漆膜用橡皮擦擦到失光，实验发现C-1乳化蜡的效果最好，具有更好的耐擦能力，同时提高了漆膜的硬度。

（5）其他助剂
为了保证涂料具有良好的施工性、储存行和使用效果，在涂料的配置中还会加入一些其他助剂，如调节粘度的增稠剂、防腐剂等。

它们的用量虽然很少，但对于保证涂料性能是必不可少的。

（6）涂料配方（如表2）
表2 改性水性木器漆配方
4.3制备方法
综合考虑价格和涂料性能两个因素，采用以聚氨酯分散体为内核，表面包覆丙烯酸乳液的方法，即核壳乳液聚合法。

具体操作如下：在聚氨酯乳液中加入部分乳化剂，搅拌分散均匀，再加入甲基丙烯酸β羟乙酯和丙烯酸酯等单体，强力搅拌1h，得到稳定的预乳化液A。

将过硫酸铵用水溶解配成溶液B。

取预乳化液A和溶液B各1/4加入四口烧瓶中，加入pH 缓冲剂NaHCO3溶液，搅拌升温至80℃。

反应约0.5h，滴加剩余预乳化液A和溶液B，3h左右滴完。

滴加完后，剩余的溶液B一次性全部加入。

保温反应2h，得到具有核/壳结构的混合分散体。

通过不断试验，得到最佳性能价格比的搭配比例为丙烯酸混合单体：水性聚氨酯分散体=（2～3）:1。

4.4性能对比
表3 水性涂料和溶剂型涂料性能的比较
从对比数据可以看出，所制的水性涂料与溶剂性的丙烯酸涂料相比，在附着力、耐热性、
耐溶剂擦拭性和硬度方面都有所提高，但是其他性能如耐水性、柔韧性等还有待改进。

5.结论
改性水性聚氨酯改性丙烯酸木器漆同时保有丙烯酸漆本身的优势，在不增加成本的同时提高了其各项性能适应市场需求，并逐渐占领着市场份额。

但与此同时，水性丙烯酸木器涂料本身还含有众多的研究价值和值得改进补充的地方。

除了在配方与制备方法方面的改进必不可少，由于该涂料直接运用于和人有密切接触的木器，故施工时的安全级别及成品涂料的性质检验标准都是非常重要的。

尤其对于新研发的改性涂料，其耐性、毒性及其他各种性能，更是需要进行严格的检测与评估，方能确保涂料的安全性。

虽然丙烯酸型涂料本身具有无毒的特点，但如若疏于防范，依然可能造成不容小觑的严重后果。

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