木器涂料无溶剂水性聚氨酯

溶剂型木器涂料都含有大量的有机挥发性化合物，不仅影响生产和施工人员的身体健康，且污染环境和浪费资源，随着环境法规和相关政策对VOC使用和排放量的限制，环境友好型水性涂料是涂料行业的发展趋势之一。以水性聚氨酯、水性丙烯酸酯为代表的水性树脂在涂料中发挥越来越重要的作用，尤其水性聚氨酯涂料，不但安全环境友好，而且材料本身性能出众，具有涂料所需的高强度、耐磨损、低温成膜性以及柔韧性等特点。同时，其可以与丙烯酸树脂混拼并提高性能，因此在水性木器涂料领域受到广泛青睐。

木器涂料用水性聚氨酯要求具有良好的耐化学品性能、较高的硬度、良好的通透性和丰满度，根据水性聚氨酯结构以及性能的关系，木器涂料用水性聚氨酯硬段含量较高。较高的硬段比例会影响水性聚氨酯的室温以及低温成膜性能，因此在应用过程中，会加入一定比例的成膜助剂，改善成膜性能，而且传统的水性聚氨酯合成工艺中，都含有大量的有机溶剂NEP、NMP，提高了配方的VOC含量。基于以上背景，本文分别采用IPDI为硬段，PPG1000和PTMEG1000协同为软段，BDO、DMPA为小分子扩链剂，不含NEP等有机溶剂，制备出了一款环境友好的无溶剂水性聚氨酯乳液，且该水性聚氨酯具有很低的成膜温度，在应用过程中，可以显著降低成膜助剂用量，通过对此种水性聚氨酯进行应用性能跟踪，发现该乳液的综合应用性能优于市场主流产品。

1　实验部分

1.1　实验主要原料

异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)；聚氧化丙烯二醇1000(PPG1000)；聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG1000)、1,4-丁二醇(BDO)；二羟甲基丙酸；DMEA、乙二胺，工业级。

1.2　水性聚氨酯乳液合成

在装有搅拌器、温度计、回流冷凝管的四口烧瓶中，加入计量配比的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚环氧丙烷醚二醇(PPG1000)、聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG1000)，80 ℃反应1 h后，再加入BDO、DMPA、定量丙酮，稀释催化剂，75 ℃反应，达到理论—NCO值后，加入一定量的丙酮稀释预聚体系，待降低到合适的温度，加入DMEA中和，中和结束，然后将聚合物倒入分散杯中，在1 200 r/min的高速搅拌下加入去离子水，在高速分散下得水性聚氨酯分散液，后加入乙二胺后扩链，乳液制备完成。

1.3　水性木器涂料制备

基于水性聚氨酯乳液的水性木器涂料配方如表1所示。

水性木器涂料的制备工艺：将水性聚氨酯乳液、消泡剂1依次加入容器中，搅拌均匀，加入消光粉，800～1 200 r/min快速分散15 min左右；将成膜助剂1、成膜助剂2、流变助剂、润湿流平剂、增稠剂、H2O混合均匀后，缓慢加入容器中，600～800 r/min搅拌10 min；加入消泡剂2、防腐剂，搅拌5 min后过滤出料，静置。

1.4　分析与测试

1.4.1　乳液粒径

用动态光散射(DLS)测量聚氨酯分散体的粒径以及粒径分布。实验中采用马尔文公司的ZetasizerNano ZS90的粒度仪测定乳液的粒径及粒径分布，测试温度为25 ℃，激光器角度为90°，测试激光波长为633 nm。

1.4.2　贮存稳定性测试

水性聚氨酯乳液贮存稳定性可通过高温加速试验来模拟测定。在干净密闭试样瓶中，倒入适量水性聚氨酯乳液，50 ℃烘箱放置1个月，取出后若乳液无分层及沉淀，并且应用性能没有损失，仍然满足使用要求，即可证明所合成的乳液能够稳定贮存。

1.4.3　乳液应用性能测试

按照国际规定标准以及实验室标准，在相同的试验条件下，与市场主流产品对比，对水性聚氨酯的干燥时间及硬度，力学性能、柔韧性、耐化学品性能进行测试。

2　结果与讨论

2.1　水性聚氨酯乳液性能(见表2)

如表2所示，本文中制备的水性聚氨酯乳液性能稳定，在固含量35%的情况下，乳液的粒径为55 nm，乳液黏度为200 mPa · s，黏度适中。此种水性聚氨酯的最低成膜温度为7 ℃，在不添加任何成膜助剂的条件下，可以实现常温成膜，在添加1%～2%成膜助剂条件下，低温成膜性能优异，可以有效减少配漆过程中成膜助剂的使用比例。同时通过表2可以发现，在具备优异成膜性能的条件下，乳液成膜断裂强度为35 MPa、100%模量为20 MPa、断裂伸长率为250%，涂膜力学性能优异；乳液应用配漆后，铅笔硬度为HB、抗冲击为100 kg · cm、柔韧性为0.5 mm，应用力学性能优异。

2.2　乳液贮存稳定性

乳液在50 ℃烘箱贮存1个月后，发现试样瓶中乳液无分层，不见沉淀，配漆后应用性能仍然满足使用要求，即乳液能够稳定贮存。

2.3　水性木器涂料性能

按照表1配方分别基于本乳液和市场同类型产品制备涂料，分别对比测试以下性能：

2.3.1　干燥时间及硬度

基材：玻璃板；干燥条件：25 ℃，RH50%；湿膜厚度：150 μm，光泽和硬度在室温养护7 d测试，结果见表3、图1。

如表3、图1数据所示，本文中制备的水性聚氨酯配成涂料后，涂膜硬度高，耐磨性好，且在干燥速度和硬度建立均具有优势，有利于缩短工期，节约时间成本。

2.3.2　化学品抗性

基材：黑胡桃木，喷涂两道，每道100 g/m2，**道喷涂完之后放50 ℃干燥1 h，然后用400#砂纸打磨，喷涂第二道，室温放置7 d，干燥条件：25 ℃，RH50%。

测试方法：采用6层滤纸吸取液体测试表面抗性。

化学品抗性测试结果如表4所示。

注：5—**，0—最差。

与市场同类产品相比，此水性聚氨酯乳液在化学品抗性和通透度方面有很大优势，可应用于高性能要求的家具、家装等领域。

2.3.3　与丙烯酸混拼性能

丙烯酸乳液涂膜化学品抗性好、硬度高，但同时其所需成膜助剂较高，涂膜较脆，故在使用时可混拼部分水性聚氨酯乳液改善其性能。将此水性聚氨酯乳液与一款高硬度自交联丙烯酸乳液混拼，测试不同混拼比例下的性能，见表5。

由表5可知，随着混拼聚氨酯比例越大，体系MFFT越低，柔韧性、抗冲击和丰满度提高，化学品抗性轻微下降，当聚氨酯与丙烯酸乳液比例为1/2时，性能**。

3　结　语

以IPDI为硬段，PPG1000和PTMEG1000为软段，BDO、DMPA为小分子扩链剂，在乳液的合成制备过程中，除了一定量的丙酮稀释预聚体系外，无任何其他溶剂，成功制备出稳定的无溶剂水性聚氨酯乳液。

对此种乳液的涂层应用性能进行跟踪，结论如下：

(1)和市场主流产品相比，涂膜的干燥速度和硬度建立均具有优势，有利于缩短工期，节约时间成本。

(2)此种水性聚氨酯乳液不含有任何溶剂，并且具有良好的成膜性能，可以混拼其他乳液，有效降低成膜助剂(溶剂)用量，降低配方体系VOC。

(3)断裂强度和断裂伸长率较高，涂膜有优异的伸缩性，可以与丙烯酸乳液混拼，改善柔韧性。

(4)基于此种无溶剂水性聚氨酯的木器涂料，涂层平整光滑，通透性、丰满度、硬度高，涂膜的耐水性、耐化学品性能较优，综合性能较好