高固含、快干型水性木器白色底漆的配方设计

水性木器涂料由于自身存在硬度、丰满度和价格等问题 , 在一定程度上限制了水性木器涂料在工业的推广和应用 , 尤其是对于凹凸不平的底材 , 例如夹板类或者中纤板等 , 想要封闭住中纤板上的所有纤维往往需要多道施工 , 而客户希望在保证封闭性的同时为降低成本而提出减少施工次数 , 只在中纤板上涂装两遍水性白底漆 , 要求好的打磨性和填充性 , 并且在夏天 ( 温度大约30 ℃ , 湿度大约 70 ％ ) 干燥1 h 后打磨不粘砂纸 , 对底材有良好的封闭作用并且价格便宜。

而普通的水性白底漆由于固含低、封闭性不佳等问题应用于中纤板的封闭涂装时 , 往往会出现以下问题：有的填充性好但是打磨性不佳；有的打磨性好但是封闭性不良需要多道施工；有的性能好但是价格昂贵客户不接受以及还存在储存稳定性不佳 , 一段时间白底漆出现大量沉淀等问题。

本研究的目的是为客户开发一款价格合适、性能优良的应用于中纤板底材封闭的高固含快干型的水性白色底漆。

1 配方的设计思路和原理1.1 乳液的选择乳液是水性木器涂料的重要成膜物质 , 是整个配方的关键成分。

聚氨酯类乳液虽然性能优良 , 耐磨性和耐化学品性能好 , 但是没有价格优势；丙烯酸聚氨酯乳液具有水性聚氨酯优异的性能 , 又具有丙烯酸树脂优异的耐候性及对颜料的润湿性等性能 , 但是一般用于制备中高档水性木器面漆 , 而丙烯酸类的乳液制成的木器涂料具有干燥速度快、保光和保色性以及附着力好等优点 , 是目前应用于水性木器涂料领域的主要乳液品种 , 尤其适合于廉价而快干的底漆制作。

本试验经综合考虑各种丙烯酸乳液的价格和性能后 , 最终筛选了两款进口具有核壳结构的丙烯酸乳液 A 和 B, 它们有类似的固含量和成膜温度 , 数据见表1 。

表 1 乳液的基本数据底漆中乳液的选择好坏影响涂膜的干燥速度、成膜性、颜填料的分散性等 , 对不平的底材应该尽量选择粒径小、渗透性好的乳液 , 小粒径的乳液具有好的填充性 , 细小的颗粒能够很好地渗透到导管处 , 起到填平作用 , 将两款乳液制成水性白色底漆后 , 配方见表 2, 比较两者的干燥速度、打磨性、填充性等 , 结果见表 3 。

表 2 水性白底漆配方注：白色浆是自制的 , 固含量为 70 ％。

表 3 基本性能测试结果注： 1. 除填充性和打磨性在中纤板上测试 , 其余测试都是在黑白格遮盖力纸上(75 μ m) 。

2. 成膜以及检测的环境温度为30 ℃ , 湿度 70 ％左右。

从试验结果可以看出 , 在相同的配方体系中 , 只是乳液不同 ,1 ＃和 2 ＃相比 , 具有相似的填充性 , 但是在打磨性方面 , 前者具有明显的优势 , 同时乳液 B 具有更快的干燥速度 , 并且有更好的成膜性 , 这 3 点优势很大程度上满足了制作水性白底漆的乳液的要求。

乳液 B 是一款进口的丙烯酸类的金属交联型乳液 , 具有合适的玻璃化温度( 43 ℃ ), 中等的 T g 使乳液既能够拥有好的成膜性 , 具有合适的硬度 , 同时保证底漆的打磨性。

因为如果乳液的玻璃化温度太高 , 配方中成膜助剂的量需要加大 , 另外水性涂料的成膜受环境湿度和温度的影响很大 , 高 T g 的涂膜容易出现开裂 , 尤其是在基材不平的表面 , 出现的概率很大 , 玻璃化温度低 , 成膜性虽然好 , 但是涂膜容易发黏 , 并且容易粘砂纸 ,由于客户对底漆的打磨性要求很高 , 夏天成膜 1 h 后就必须打磨并且要求几乎不能粘砂纸 , 所以在配方中不宜选用玻璃化温度太低的乳液。

乳液 B 的红外分析光谱测试见图 1, 激光粒度仪测试见图 2 。

图 1 乳液 B 的红外光谱图图 2 乳液 B 的激光粒度仪分析从图 1 可以看出波数为 2 955 cm -1 、 1 731 c m -1 、 1 451 c m -1 、 1 148 c m -1 和 842 c m ㎝-1 处都是丙烯酸树脂的特征峰。

从激光粒度仪的结果表 4 中看出 , 该乳液的平均粒径为0.073 μ m, 细的粒径保证对基材的渗透性 , 能够快速渗透到木材纤维中 , 并且此款乳液为金属自交联型 , 保证涂膜具有一定的交联密度以及对基材的附着力。

表 4 乳液 B 的激光粒度仪分析结果1.2 填料的选择水性白色底漆中加入填料不仅可以提高色漆体系的 P V C, 改善涂料的施工性能 , 提高颜料的悬浮性和防止流挂性 , 又提高涂膜的机械性能和化学性能 , 同时还能降低钛白粉的用量 , 降低成本。

用于白底漆中可以采用的填料很多 , 主要有滑石粉、硫酸钡、碳酸钙、二氧化硅、石膏、高岭土等 [1] 。

笔者研究了不同的填料在涂膜中发挥的作用以及对涂膜产生影响 , 筛选出合适的填料和比例 , 试验配方见表 5, 试验结果见表 6 。

表 5 不同填料的水性白色底漆配方表 6 不同填料的水性白底漆性能测试结果注： 1. 除填充性和打磨性在中纤板上测试 , 其余都测试都是在黑白格遮盖力纸上(75 μ m) 。

从表 6 结果可以看出滑石粉和高岭土可以为涂膜提供好的打磨性 , 由于这些填料都具有较低的莫氏硬度 , 滑石粉的莫氏硬度为 1, 是所有填料中最小的 , 这些填料的存在保证了底漆的打磨性 , 还能够更好地帮助成膜 , 为涂膜提供抗划伤性 , 滑石粉主要成分为硅酸镁 , 吸油量一般 ,2.7 ～ 2 .8 g /c m 3 的密度使它在涂料中不易下沉。

另外它还能帮助钛白粉悬浮 , 起到防止涂料流挂的作用 , 低成本使其在底漆中得到大量的应用。

高岭土可以增加填充性 , 另外也兼具打磨性 , 这类水合硅酸铝填料代替部分高价的钛白粉可以增加涂膜的白度 , 增强外观 , 而碳酸钙和硫酸钡可以为涂膜提供好的填充性 , 不过硫酸钡的密度大 , 用量过多很容易产生沉淀 , 对涂膜的白度增加也不明显 , 不推荐在水性木器白底漆中使用 , 基本上可以用碳酸钙代替。

由于水性白底漆的固含量高 , 填料自身已经可以提供很好的打磨性 , 所以不需要加入打磨助剂 , 降低成本。

因此在水性白底漆可以用到的填料为滑石粉、高岭土和碳酸钙 , 熟悉了各种填料在水性白底漆中发挥的作用 , 便可以根据需要的性能进行灵活搭配。

1.3 成膜助剂的选择水性木器涂料中的成膜助剂多数是醇醚类的溶剂 , 常用的主要是二乙二醇醚类和丙二醇醚类 [2], 应用过程中一般都是慢干和快干的成膜助剂搭配使用 , 各种成膜助剂的选择不仅应该参照乳液的最低成膜温度 , 同时应该根据季节来搭配使用 , 夏天和冬天的温度和湿度都不同 , 夏天温度高 , 水分挥发比较快 , 如果过多地选择快干性的成膜助剂比如乙二醇单丁醚 , 由于挥发速度过快 , 导致涂膜的形成时间过短 , 乳胶粒子来不及很好地聚集融合 , 成膜助剂就已经随着水挥发了 , 造成成膜不好和流平不佳等缺陷；而冬天气温低 , 水分挥发慢 , 成膜助剂挥发也慢 , 成膜时间长 , 这时候为保证一定的干燥速度 , 可以多选择一些快干性成膜助剂 , 有利于缩短施工时间。

另外由于水性白色底漆的填料多 , 相同的乳液量下 , 成膜助剂的用量必须比相应的清漆高出几个百分点 , 这样才能保证有效成膜。

而由于底材不平尤其是存在凹槽的底材第一层底漆的成膜助剂用量也要略微提高 , 避免板材交接处开裂而导致返工问题。

另外对于成膜助剂的用量 , 既要考虑乳液的成膜性 , 又要考虑 VOC 含量和回黏现象。

1.4 消泡剂的选择乳液中的乳化剂、颜填料的润湿分散剂以及基材润湿剂等 , 它们的存在都会导致体系泡沫的产生 , 由于水性白色底漆填料多 , 固含量高 , 颜填料都是颗粒状物质 , 在搅拌过程中容易产生气泡 , 大量的气泡不仅给施工带来影响 , 同时容易形成涂膜的缺陷 , 会导致底材上的第一遍涂膜形成大量针孔 , 尤其是在底材的导管或者凹陷处 , 造成无法润湿的区域 , 为了排除基材中的空气 , 防止喷涂打磨底漆时产生气泡、针孔等问题 , 试验对消泡剂进行了筛选。

矿物油类的消泡剂消泡和抑泡能力差 , 用量大 , 也容易迁移 , 不适合在高填料体系中应用；非硅类的消泡剂没有降低体系表面张力的效果 , 消泡能力也一般；所以最终选用了有机硅类的消泡剂 , 并且试验中发现 , 含有气相二氧化硅憎水颗粒的 Tego Foamex825在丙烯酸体系和颜填料分散过程中消泡很有效 , 不仅在配方调配过程中能有效抑制泡沫的产生 , 同时在喷涂过程中也能够及时消除气泡。

1.5 流变助剂的选择水性白色底漆需要用到钛白粉 , 同时也要用到大量的体质颜料 , 这些颜填料容易导致沉淀的产生 , 影响涂料的储存稳定性和施工性 , 流变助剂的添加在体系中是必不可少的。

合适的流变助剂不仅有利于前期颜填料的分散 , 有效控制分散黏度 , 同时能够减少能耗 , 降低生产工艺成本 , 同时能够为体系带来稳定的流变性。

选择缔合型聚氨酯增稠剂能够为体系提供假塑性黏度行为并控制低剪切黏度 , 它能够与基料形成三维网状结构 , 产生触变流动性有效阻止了颜料的沉降 , 即使在低黏度下也具备好的防沉性 , 同时搭配少量的疏水改性羟乙基纤维素 , 调整体系的黏度。

2 配方结果2.1 水性白色底漆的参考配方 ( 见表 7)表 7 水性白底漆的参考配方生产工艺：按表 7 配方将原料 1 ～ 5 按顺序依次加入到搅拌罐中 , 低速分散均匀后加入填料 6 ～ 8, 然后高速分散 15 ～ 20 min, 检测浆料的细度 , 细度合格后 , 中速状态下加入 9 和 10, 然后匀速加入 11 和 12, 最后按照生产指标调节黏度和 p H 值。

在生产过程中 , 要注意前期填料的分散 , 填料的细度和分散均匀性直接影响到最后产品的品质 , 控制合适的黏度有利于填料的分散和降低能耗；成膜助剂的加入要匀速 , 避免局部浓度过高或者温度高时可能造成破乳 , 另外笔者加入的白色浆是事先已经分散好的 , 其实钛白粉也可以和填料一起分散 , 这都可以灵活控制 , 如果最终罐内泡沫太多 , 可以适当补加少量消泡剂。

2.2 水性白色底漆的性能测试结果 ( 见表 8)表 8 产品性能测试3 应用这款水性白色底漆拥有优异的打磨性和填充性 , 同时具有干燥速度快、夏天干燥 1 h 后打磨不粘砂纸以及价廉等优势 , 能够有效封闭中纤板底材上的木材缝隙 , 稳固基材内部构造 , 施工后底材变形率小 , 纤维基本不膨胀 , 产品已经基本为客户所接受 , 客户主要用中纤板底材木门的实色涂装。

另外这款底漆不仅可以用于中纤板的涂装 , 也可应用于封闭夹板类底材 , 具有良好的工业应用价值。

中纤板的实色涂装流程为：水性白色底漆—水性白色底漆—各种颜色的水性面漆；夹板实色涂装流程为：水性腻子—水性白色底漆—水性白色底漆—各种颜色的水性面漆。