户外木器用水性防护涂料制备及性能研究

                  叶氏化工研发(上海)有限公司 作者：张子才，贺丹丹，康宁 时间：2018-07-29

0　前　言

由于木材本身的多孔性及吸湿性，在户外日晒雨淋、冷热变换及微生物侵蚀等环境下，易出现开裂、发霉、粉化等腐化现象，对木材的性能和美观有极大的影响，其最简单有效的防护手段就是涂覆涂料[1]。而在我国，用于户外木器防护的传统溶剂型涂料含有大量有机挥发物，会对环境及人体健康造成较大的危害，因此本研究开发出一种性能卓越、环境友好、低毒的户外用水性木器涂料，通过与市售不同类型的竞品进行对比，讨论影响户外耐候的主要因素。
 

1　现有户外防护涂料及作用原理

现用于户外木器涂装的涂料主要有以下几类：

(1)传统溶剂型涂料。此类涂料主要为硝基类、醇酸类、双组分聚氨酯类等，通过在木材表面成膜对木材提供防护，成膜物质的性能决定户外耐候防腐的效果，干燥速度快、耐水性好，但VOC含量高，对环境污染较大。

(2)木蜡油。主要以梓油、亚麻油、苏子油、松油、棕榈蜡、植物树脂及天然色素融合而成，是纯天然木器涂料。木蜡油中的油能渗透进木材内部，给予木材深层滋润养护；蜡能与木材纤维紧密结合，增强表面硬度，防水防污，耐磨耐擦，给木材提供较好的养护和装饰作用，但干燥速度慢，气味持久。

(3)水性木蜡油。一般是在油性木蜡油的基础上改进的化工合成产品，可加水稀释，也有使用防腐液渗透进木材并缓慢挥发为木材提供防腐效果，或添加色浆吸收紫外光，进一步提高耐候性。

(4)户外用水性木器涂料。由于丙烯酸乳液具有良好的耐候性、耐化性及柔韧性等优点，此类涂料一般采用丙烯酸乳液作为主体树脂制作配方，与传统溶剂型涂料作用原理类似，但具有低味环保、性能优异的特点。
 

2　户外水性木器涂料的制备

2.1　乳液筛选

不同类型的丙烯酸乳液性能差异较大，本实验选用综合性能较好的纯丙乳液进行测试[3]，乳液样品由国内知名供应商推荐并提供，基本指标见表1。

将以上3款乳液按表2配方进行制样测试，涂膜基本性能测试结果见表3。

根据表3中测试结果，3款配方基本性能差异不大，将以上3款配方刷涂松木板两道，置于户外自然曝晒1个月(5月至6月)，测试结果如图1所示。

根据图1，配方1和配方2在户外自然条件下经过1个月后涂膜出现开裂，涂膜手感降低，光泽明显下降，木板出现发霉老化等不良现象，而配方3表现较好，基材色泽如新。

综合以上测试结果，乳液C硬度较好，抗冲击佳，户外耐候性佳，因此选用乳液C作为户外木器涂料的成膜物质。

2.2　关键助剂的搭配

为进一步提高涂膜对木材的保护性及持久性，需要在表1基础配方中加入一些功能助剂，各助剂主要作用如下。

(1)干膜防霉剂。在户外潮湿条件下木板基材及涂料干膜易出现长霉情况，导致涂膜出现开裂、强度下降、附着力变差等不良现象，干膜防霉剂可以阻碍微生物代谢和遗传、破坏细胞壁和细胞膜、阻断光合作用等，与杀菌剂搭配能有效地起到罐内杀菌防腐，干膜防霉防藻的效果[3]。本实验采用异噻唑啉酮类干膜防霉剂，具有广谱高效、持久低毒的特点，添加量占总配方量为0.5%(分数质量，后同)。
(2)蜡乳液。本实验采用非离子改性的石蜡乳液，能明显地提高涂膜憎水性、涂膜手感及耐磨性能，并有一定的消光作用，配方中添加量为2%。

(3)光稳定剂。导致聚合物材料老化的诸因素中，紫外线是极其重要的一个[4]。本实验采用苯并三唑类紫外吸收剂(UVA)和碱性受阻胺(HALS)复合型光稳定剂，预先溶于成膜助剂后加入，具有极佳的性价比与耐久性，配方中添加量为2%。

2.3　与市售不同类型户外木器涂料耐候性对比

从市面上收集到3款不同类型的户外木器用防护涂料，基本信息见表4所示。

为更好地与竞品作对比，在清漆配方中加入一定量的钛白色浆(市售，70%钛白粉含量)进行调色，清漆与白漆配方见表5所示。

将配方4、配方5与竞品三平行测试原漆及涂膜基本性能(竞品一涂膜慢干、竞品二不成膜，均无法参与测试)，测试结果见表6所示。

不同的基材在户外环境下的腐化趋势和速度不同，用于户外景观、木栈道或木质栅栏等的主要木材有俄罗斯樟子松、北欧赤松、西部红雪松、黄松及碳化木等。本实验采用性价比和市场占有率较高的樟子松防腐木、樟子松碳化木和普通松木作为基材，进行户外实验测试，3种木材的特性如表7所示。

将表7所示3种基材经打磨后刷涂配方4、配方5及竞品各两遍，置于户外自然环境下12个月观察不同样品对木材的防护效果。测试结果见表8，具体效果如图2、图3、图4所示。

3　应用案例

以上配方经调色后在上海崇明岛某自然保护区试用，该保护区地理位置靠近海边，紫外光照射强，有海水及盐雾侵蚀，湿地内有大量鸟类栖息，且涨潮期时水面会淹没木栈道，本产品在此环境下经过近1 a的时间，涂膜完整，无剥落、粉化及开裂现象，各项性能良好，见图5所示。

4　结　语

本实验研究开发出一种以纯丙乳液为成膜物的可用于户外木器防护的水性木器涂料，耐候性优异，能对木材提供长久有效地保护，可替代现有的溶剂型涂料。同时，根据实验结果能看出，在清漆中添加色浆能提升其防护性能，原因是颜料能吸收和反射紫外光，更有效地防止紫外光透过涂膜对木材造成破坏；樟子松防腐木和碳化木相对于普通木材，具有更好的耐候性和防腐性，在此基材上能更好地发挥涂料的防护性能，因此用于户外的木制品，以此类木材为佳。