当前水性木器涂料应用的问题与对策
2011/12/4 北京化工大学材料学院,
0 前 言
毋庸置疑,环境和资源问题是水性木器涂料发展的源动力,但是由于水性木器涂料是以水为分散介质,在家具和装修的施工中也明显有由水所引起的一些特性,涂膜性能和一般溶剂型涂料相比也有一些差异,这要从水性木器涂料体系本身和被涂装的木器材料表面两个方面分析,提出水性木器涂料的问题,以及找出解决问题的方案。

1 水性木器涂料用树脂
水性木器涂料可分为水性丙烯酸酯乳胶、水性聚氨酯分散体、水性丙烯酸改性聚氨酯胶乳几类,现就其树脂的组成和制备方法简单描述,以便对其进行问题分析。水性丙烯酸酯胶乳是采用乳液聚合的方法合成的丙烯酸酯共聚物胶乳。随着现代乳液聚合技术的发展,通过分子设计和乳胶粒子的形态设计,可以合成出多层核壳、互穿网络结构的聚合物乳胶粒子,引入交联体系,形成自交联胶乳。聚合工程中环境友好,单体转化率接近100％,聚合反应温和稳定,可以在少量乳化剂存在下合成稳定胶乳,树脂的批次稳定性好,涂膜的耐水性、耐候性好。

水性聚氨酯一般是采用双异氰酸酯,聚酯(醚)多元醇,以双羟甲基丙(丁)酸引入羧基三元缩合形成聚氨酯( P U ) ,经溶剂降黏,碱的水液中分散,脱溶剂,最后形成水性P U分散体,实质上也是聚合物胶乳。由于聚氨酯分子结构中含有氨基甲酸酯,存在大量氢键,体系是软硬相的相分离结构,因此树脂的成膜性好,涂膜的耐磨性也好。

丙烯酸酯改性P U，是在水性P U的基础之上，进一步发生丙烯酸酯的乳液接枝聚合反应，形成丙烯酸酯改性水性聚氨酯胶乳。丙烯酸酯改性P U树脂可以在一定程度上改进PU的耐水性和耐候性。

以上树脂体系均是聚合物乳胶体系,是尺度在几十到几百纳米的聚合物粒子,在水中分散的热力学不稳定体系,粒子在水介质的热运动作用下,发生布朗运动,所形成的一个动力学稳定体系。

2 水性木器涂料成膜机制与溶剂型涂料不同所带来的问题
溶剂型涂料是聚合物的有机溶剂所形成的溶液,涂料涂装是聚合物溶剂逐渐挥发,聚合物溶液逐渐变浓,最后形成聚合物链缠结的有机聚合物膜。聚合物乳胶成膜,是通过聚合物粒子逐渐堆积,然后粒子融合成膜,成膜助剂起到帮助成膜的作用,这个粒子堆积和成膜过程是一个缓慢的过程,一般分为以下3个过程: (1)充填过程:乳液型涂料施工后,水分挥发,微粒相互靠近,达到密集的充填状态,体系中的乳化剂及其他水溶性助剂留在微粒间隙的水中。(2)融合过程:水分继续挥发,高聚物微粒表面吸附的保护层破坏,裸露的微粒相互接触。其间隙愈来愈小,至毛细管径大小时,毛细管压力高于聚合物微粒的抗变形力,微粒变形,最后凝集、融合成连续的涂膜。(3)扩散过程:残留在水中的助剂逐渐向涂膜扩散,并使高聚物分子长链相互扩散,形成具有良好性能的均匀涂膜。

涂料的成膜过程对最终形成涂膜的表观状态、性能等有决定性的影响,而成膜助剂在水性乳液型涂料整个成膜过程中起着重要的作用。水性涂料所使用的成膜助剂又称聚结剂、助溶剂或共溶剂,一般是相对分子质量数百的高沸点有机物。它可以看作是聚合物乳液粒子内增塑剂,主要功能是降低乳液的最低成膜温度,改进乳液涂料的流动性,提高涂膜致密程度,从而改善涂料施工性能和涂层物化性能等。成膜助剂加入乳液体系后,少量溶解在水相中,大部分进入聚合物乳液粒子内部,在聚合物相中的成膜助剂使粒子表面软化,提高了聚合物的塑性,使乳液粒子更容易受压变形,融合成膜,从而降低乳液型涂料的最低成膜温度。在涂膜干燥过程中,水分挥发后余下的成膜助剂使聚合物胶粒相互融合成连续的膜,随着时间的推移,成膜助剂逐渐挥发逸出,涂膜硬度随之逐渐提高。乳胶粒变形和分子链段扩散都要求乳胶聚合物体系中有大于2.5%的自由体积,否则乳胶粒高聚物处于玻璃态而无法变形,高聚物分子链段处于冻结状态而不能扩散。正是由于成膜
助剂在成膜过程中提供了足够的自由体积,以使聚合物粒子变形和聚合物分子链段扩散、缠绕而融合成连续的涂膜。由此可见水性木器涂料成膜速度较慢并不是由于水的挥发潜热大、挥发速度慢造成的。这个复杂的成膜过程需要2～3周的时间才能完成,因此水性木器涂料的涂层性能也需要这么长的时间才能够完全实现。

水性木器涂料的慢成膜问题,对于需要快速包装的家具是一个很大的问题,有些报道或产品,采用快速的自交联聚合物胶乳体系,通过粒子间或粒子内的快速固化反应,使涂膜快速硬化,以缩短涂膜的硬化时间,但是由于粒子的交联,势必影响粒子间的融合;有些研究者采用沸点较低、快速挥发的成膜助剂,以提高聚合物胶乳成膜时的硬化时间,也会影响粒子的融合,所有这些拔苗助长的方法,均会或多或少地损失涂膜的某些性能,只是在性能和时间二者之间取一个平衡。
如果设想缩短这个过程,需要提高成膜温度,提高链段运动的速度,加快粒子的融合成膜,形成比较致密的涂膜,这就要求有个高温烘烤的过程,所以水性木器涂料有一个高温烘烤车间对于提高涂膜性能十分重要。对于自交联体系,或者双组分交联体系的水性木器涂料而言,所设计的交联过程一定要和粒子融合的时间相一致,否则粒子内或粒子间过早交联也会影响粒子的融合过程。

3 水分散介质对底材的影响
水性木器涂料由于是以水作为分散介质,水的存在势必在家具和装修的施工中带来一些问题。水性木器涂料对实木底材施工,会导致木材中的纤维木径发涨,涂装过程中经多道涂装打磨施工,短时间很难看出缺陷,但是时间稍长后,就会在涂层
表面发现沟壑,这是木材经水膨胀以后又收缩的过程所造成的。对于人造纤维板的涂装,人造板纤维遇水极易发生膨胀,形成纤维的突出,造成涂层表面缺陷,很难打磨平整,造成人造纤维板表面涂装缺陷。这些在涂装过程中水对纤维素的膨胀,需要有适宜的封底涂料来解决,有些涂装厂家用溶剂型涂料封底来解决水性木器涂料中水对纤维素的膨胀问题,可见这个问题解决起来是比较困难的;但是木材封闭底漆的溶剂往木材纤维内渗透,被面漆封闭,会长期在木材内部存留,造成木器家具、家装等用户的室内环境污染,从环境污染角度看,这是极不可取的。
有些厂家采用在木材表面先打水性腻子,然后在腻子表面涂装水性封闭底漆的办法,利用腻子的刚性,解决水对纤维素的膨胀问题,也不失为一种较好的解决办法,但是对于清漆涂装系列而言,就没有办法用腻子封底。因此最好的办法是研制生产适宜的、防止木材纤维膨胀的水性封闭底漆。

不仅仅由于木材表面纤维素的膨胀造成表面缺陷的问题,有些木材所含的化学物质会往涂层表面迁移,也会影响涂层表面状态形成缺陷。例如松木表面的涂装,由于其含有松节油,当白漆涂装时,松节油会往表面渗出,形成表面发花现象;这可能是由于水性涂料成膜是粒子的堆积,而且过程比较缓慢并且容易形成涂层微观缺陷所造成的。对于常用的速生杨木材,含有一种发黄的化学物质——单宁酸,水性木器涂料也很难对其封闭,使得白色涂膜发黄。因此以上水性涂料的问题均需要与之相适应的封闭漆。

针对以上问题,专门针对不同木质材料,现已研制出了水性木器封闭底漆专用聚合物乳液。以此聚合物乳液制备的水性封闭底漆,一种专门用于封闭松木的松节油,一种则专门用于封闭速生杨的单宁酸,效果良好。而且使用后一种对于人造板的纤维膨胀具有表面平整、不起毛、不翘曲的特点,解决了木径发涨的问题,使得涂膜表面平整,手感好,丰满度高。

4 水性木器涂料施工的温湿度问题
水性木器涂料依赖水的挥发形成粒子堆积融合成膜,由于水的汽化潜热较大,施工时受空气的温湿度影响较大。湿度低、温度高,涂膜干燥时间短,不易流平会影响涂膜的表面状态,有些施工者通过往成品涂料里加水调节表干时间,但是要注意两点,添加水分后要充分混合均匀，由于水性木器涂料易起泡,加水混合均匀后最好要放置一段时间再用,加水过多时,使得涂料体系固含量下降,也会造成涂层缩边等缺陷。湿度太高,干燥太慢,易流挂,发白,影响包装时间。一般讲,相对湿度大于85% ,水性木器涂料很难施工。如何解决温湿度对水性木器涂膜性能的影响,是一个值得进一步探讨的问题,需要业界广泛实践,积累经验。

5 结 语
涂料由溶剂型向水性转变是人类对生存环境、资源深刻认识的结果。通过先进的乳液合成技术、涂料制备技术和水性木器涂料的施工对策等一系列问题的解决,有望很好地解决水性化与高性能之间的矛盾,势必大大推动水性木器涂料的快速发展。