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      水性異氰酸酯在家具生產中的應用

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      -->>水性異氰酸酯在家具生產中的應用

      0 引 言
      在水性木器漆的發展過程中,家具漆的水性化意義十分重大。由于家具漆對涂膜的硬度和耐劃傷要求較高,單組分水性木器漆性能難以達到要求,在成膜過程中有化學反應交聯、大大提高了涂膜物化性能的雙組分水性木器漆自然被看好。在眾多類型的雙組分水性木器漆中,以水性異氰酸酯為固化劑的雙組分水性木器漆在硬度和耐劃傷等物化性能方面性能較優。目前,該類固化劑生產商主要有巴斯夫、拜耳、羅地亞等外國公司。其中拜耳自1991年第一代水性異氰酸酯固化劑問世至今已有近20年的歷史,但對水性木器漆產業化最有意義的還是其第二代及第三代產品。筆者從家具生產應用入手,結合當前家具特點、工廠生產環境及現場施工情況,對當前常見的水性異氰酸酯中的Bayhydur 305 及BayhydurXP2655進行了應用研究。
       
      1 Bayhydur305和BayhydurXP2655介紹
      Bayhydur305是BAYER公司的第二代產品,采用醚改性;BayhydurXP2655是BAYER公司的第三代產品,采用磺酸鹽改性。與Bayhydur305比較,BayhydurXP2655有更低的黏度和更好的水分散性,其直接與含—OH基多元醇樹脂混合時就有好的手攪性。同時,其涂膜的物化性能也大大提高,是當前眾多水性異氰酸酯固化劑中最為優秀的產品之一。Bayhydur305與BayhydurXP2655物化指標如表1。
      表1 Bayhydur305與BayhydurXP2655典型物化指標
      Bayhydur305與BayhydurXP2655典型物化指標
      2 水性異氰酸酯與水性樹脂的反應
      2. 1 反應機理
      雙組分水性木器漆用樹脂按聚合物膠體結構可分為兩大類:一類是水分散型多元醇,另一類是乳液型多元醇。其反應機理與溶劑型雙組分木器漆大致相同,即樹脂組分中的—OH基與固化劑組分中的—NCO基反應,生成氨基甲酸酯。不同的是在水性體系中, —NCO基與水性樹脂反應要比溶劑型體系復雜得多。在水性樹脂中, —NCO基除了與—OH基反應外,還能與H2O、胺等反應。其與水反應生成不穩定的氨基甲酸,隨即分解成胺而放出CO2。CO2的生成會使涂膜產生氣泡。并且, —NCO基可繼續與胺反應生成脲, 脲還可與—NCO基反應生成縮二脲。因此,在以水性異氰酸酯為固化劑的雙組分水性體系中,需要有效地控制副反應的發生,才能有效利用水性異氰酸酯中的—NCO基,得到理想的涂膜。
      2. 2 物化性能對比
      目前,市面上有多種類型的含—OH基水性樹脂,如BAY2ER公司的XP2427、XP2470、XP2651, ALBERD INGK公司的AC2598VP、APU1062、AC31, BASF的S937T等。其中比較有特色的有XP2651、AC2598VP、APU1062。其性能參數如表2。
      幾種水性樹脂的典型數據
      將其分別與Bayhydur305、BayhydurXP2655水性異氰酸酯搭配使用的性能如表3。
      Bayhydur305、XP2655與3種水性樹脂搭配使用的性能表現
       注: 1.n ( —NCO) ∶n ( —OH) = 1.2; 2.鉛筆硬度、耐沖擊性為鐵片上測試(100μm濕膜) ,透明性為玻璃板上測試(100μm濕膜) ,附著力、表干及抗劃傷在木板上測試(噴涂1個“十”) ,測試參考HG/T 3828—2006《室內水性木器涂料》行業標準; 3.鉛筆為中華鉛筆,表干測試溫度20 ℃左右,濕度60%左右。
        從表3可粗略地看出,在硬度等機械性能、干燥速度方面, BayhydurXP2655明顯要好于305,尤其是BayhydurXP2655與XP2651、APU1062的搭配,其在木材上的涂膜硬度已接近或達到溶劑性PU漆;在透明性方面新品XP2651、AC2598VP、APU1062與XP2655、305都比較好,尤其是XP2651在木材上展現出極好的濕透效果和極佳的木材鮮映性。在手攪性方面, 305明顯要比XP2655差,一般需較長時間的攪拌。為方便使用, 305可稀釋使用。
       
      3 生產應用
      3. 1 Bayhydur305、XP2655與水性樹脂的選擇搭配
      表3已粗略地反映出了不同水性樹脂與不同固化劑搭配所表現出的差異,從表3可看出, XP2651、APU1062與XP2655搭配都表現出很好地機械性能,但這并不意味著它們都能很好的應用于家具涂裝生產。這是因為在家具涂裝生產中,環境的復雜性及施工方式的多樣性,使批量涂裝生產對涂料的要求遠比在實驗室測試時高。除了機械性能等物化性能外,還有光澤、透明性、厚涂、重涂等方面的要求,任何一種缺陷都可能成為批量生產的致命障礙。在水性木器漆的施工時,一般建議采用薄涂多道的方式,這在裝修施工時可行,但在家具生產時,由于生產成本、施工條件、施工物件的涂膜要求等原因,施工人員很難甚至根本做不到多道薄涂。這就會使實驗室看不到的缺陷或細小缺陷得到暴露或放大,從而影響其產業化。如在表3中,同時使用XP2655, XP2651與APU1062的物化性能表現差別并不大, XP2651卻有更好的透明性;但在生產應用時,特別是厚涂時, XP2655與XP2651的搭配干燥速度卻明顯要慢,并且容易產生氣泡,這個缺陷就影響了XP2651在家具行業的推廣使用。表3中的部分搭配在模擬生產施工試驗時性能表現如表4。
      Bayhydur305、XP2655與3種水性樹脂在模擬生產施工時的性能表現
       從表4可見,機械性能好的搭配并不一定能很好地應用于家具廠生產涂裝,而無致命缺陷、性價比高的搭配在市場推廣中才更有競爭力。
      3. 2 Bayhydur305、XP2655 與水性樹脂的配比
      在水性雙組分體系中,主反應與溶劑型PU體系中的反應一樣,都是—NCO基與—OH基的反應。在溶劑型體系中,—NCO基與—OH基的理論配比為1,實際配比需通過試驗確定。—NCO含量過低,漆膜交聯密度低,耐溶劑、耐水、耐化學品性下降,甚至漆膜發軟;適當過量,則可增加交聯密度,提高耐溶劑、耐化學品性;過量多時,漆膜則會較脆。一般雙組分聚氨酯涂料中—NCO∶—OH略高于1,一般在1.05~1.1 ,實際應用中某些產品可達1.2。在水性體系中,由于水性異氰酸酯可以與水及其他活性基團反應, —NCO基需過量,眾多實驗表明,一般n ( —NCO) ∶n ( —OH) ≥1.5時涂膜性能才能達到最佳。盡管適當過量的—NCO基可大大提高涂膜的硬度、耐化學品等物化性能,但水性異氰酸酯干燥慢,價格高,過高的添加量會延長涂膜的干燥時間,增加涂裝成本。并且,由于水性樹脂組分一般可自身干燥成膜,水性異氰酸酯只是起到改善和增強涂膜性能的作用,因此, n ( —NCO) ∶n ( —OH)沒有溶劑型體系那么嚴格。在實際應用中,為了降低生產成本,其配比有時并沒有到達最佳,而是選擇一個性價比較高、施工方便的配比。
      3. 3 Bayhydur305、XP2655的稀釋性
      3. 3. 1 稀釋溶劑的選擇
      由于當前的水性異氰酸酯固化劑本身黏度較高及與水性樹脂混合時有不同程度的增稠現象,使批量生產時調漆不大方便。為了方便施工,研究人員嘗試將水性異氰酸酯用一些溶劑稀釋到一定的濃度。這些溶劑一般為醚酯類或酮醇類,其特點是氣味和毒性小,能溶解水性異氰酸酯,且在水中有較高的溶解度?晒┻x擇的有丙二醇甲醚乙酸酯( PMA) 、碳酸二甲酯( PC) 、二丙酮醇及一些常用的水性木器漆成膜助劑,如丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚等。筆者曾對常用的水性木器漆成膜助劑稀釋水性異氰酸酯做過研究,發現醚類溶劑對水性樹脂與水性異氰酸酯混合后的膠化時間有較大的影響 。進一步研究發現其對涂膜的光澤、表面效果和硬度也有較大影響,采用二丙酮醇時也有類似的情況。故在稀釋水性異氰酸酯時選擇與水相容性較好的酯類溶劑比較合適,且沸點越低越好,目前常用的稀釋劑有PMA、PC等,但由于PMA價格相對便宜且比較常見,故選擇PMA做水性異氰酸酯稀釋劑的較多。對于Bayhydur305,使用PMA稀釋后及不稀釋的涂膜性能無明顯影響,故可稀釋使用;但對于XP2655,用PMA稀釋后使用發現涂膜的光澤、硬度會明顯降低,表面效果也會明顯受到影響,因此, XP2655一般不宜稀釋使用。
      3. 3. 2 Bayhydur305稀釋比例的確定
      稀釋水性異氰酸酯的目的是為了方便操作,稀釋后的水性異氰酸酯在調漆時一般需先用水預稀釋成均勻的分散液后再加入到水性樹脂組分中,這樣可避免直接加入到水性樹脂組分時可能引起的局部破乳,這與不稀釋時的混合方法不同。從稀釋方面講,稀釋濃度越低越有利于預稀釋,但濃度太低不但浪費較多的溶劑,增加成本,還會由于溶劑在整個組分中比例偏高,而使施工時出現縮孔。實驗表明,在使用PMA稀釋Bayhydur305時, PMA與Bayhydur305的比例< 3 /7時,預稀釋會有水性異氰酸酯固體析出;比例≥3 /7時,與水1∶1混合,都能較好地預稀釋;當比例為1時,預稀釋分散性已相當好。因此, PMA與Bayhydur305的稀釋比例一般在3 /7~1。
      3. 3. 3 稀釋穩定性
      盡管Bayhydur305可以稀釋使用,但廠家仍提供100%固含量的產品,這是因為100%固含量的產品更方便貯存。在使用PMA稀釋水性異氰酸酯時,由于工業用PMA本身含有少量的水,水會與異氰酸酯反應,大大消耗水性異氰酸酯固化劑中的—NCO基,嚴重時還會使水性異氰酸酯固化劑凝膠。因此,使用PMA 稀釋的水性異氰酸酯不宜長時間貯存。對Bay2hydur305而言,如果PMA中水分含量小于013% ,其稀釋后的常溫穩定性可達3個月。
      3. 4 環境寬容性
      水性木器漆能否產業化的一個關鍵因素還在于產品本身能否適應家具生產時的復雜環境。其中溫度和濕度對于水性木器漆的施工尤為重要。在選用Bayhydur305和XP2655做固化劑時,盡管Bayhydur305 在硬度、干燥速度等方面都不如XP2655, 但對環境的寬容性比XP2655 好。如在使用AC2598VP與Bayhydur305、XP2655搭配時,在高溫高濕(溫度30 ℃以上,濕度75%以上)的條件下厚涂(150~200μm) ,使用XP2655 透明性及光澤會受到較大影響, 而使用Bay2hydur305則影響不大。
       
      4 結 語
      水性異氰酸酯是改善水性木器漆性能的一個重要途徑,是影響雙組分水性木器漆物化性能的重要因素,改善其綜合性能,并對其應用進行深入的研究將大大有利于水性家具漆的產業化。Bayhydur305 手攪性較差,硬度一般,但可稀釋后使用,綜合性能較好,對施工環境有很寬的適應性,價格較便宜; XP2655價格較貴,對水性樹脂的選擇性及施工環境的寬容性略差,但硬度高、干燥快、有較好的手攪性。硬度低、干燥慢是水性木器漆最大的缺陷,顯然, XP2655在這方面比Bay2hydur305 有了很大的改進。無論是Bayhydur305, 還是XP2655,都可以較好地應用于家具涂裝,它們的出現及在家具涂裝生產中的應用研究進一步促進了水性家具漆的產業化。
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