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目前,市場上可應用于塑料制品的水性涂料品種和水性木器涂料類似,主要使用水溶性涂料和乳膠涂料。按樹脂分類主要有水性丙烯酸、水性單組分聚氨酯、水性雙組分聚氨酯等,此外還包括水性光固化類型。這些品種主要應用于ABS、PS、PC/ABS、PVC等極住塑料表面;對于非極性的PE、PP等表面張力很小的基料需做特定的前期表面處理,或是將氯化聚烯烴樹脂通過外乳化或其他改性方法使其水性化。
(1)水性丙烯酸涂料
水性丙烯酸涂料用的丙烯酸樹脂主要是丙烯酸、甲基丙烯酸及其酯與乙烯系單體(如苯乙烯)經共聚而得到的熱塑性或熱固性丙烯酸系樹脂,及其他具有活性可交聯官能團樹脂改性的丙烯酸樹脂。根據樹脂在水中的狀態分為水溶性、水乳性和乳膠型丙烯酸涂料。水性丙烯酸樹脂通過添加增稠劑、消泡劑、催干劑、防霉殺菌劑、緩蝕劑等助劑構成涂料。
塑料用水溶性丙烯酸由于需要水溶,其相對分子質量都不會太大,否則水溶困難,因此,它們作為一種高分子材料使用多半是制成熱同性的。其成膜方式都是通過交聯,主要是通過外加入交聯樹脂(如環氧樹脂、酚醛樹脂、氨基樹脂等)來實現外交聯。另一種為丙烯酸乳膠漆,按所用乳膠一般分為3類,即全丙乳膠漆、苯丙乳膠漆和乙丙乳膠漆,其中全丙乳膠體性能最佳。
水性丙烯酸酯涂料的研制和應用始于加世紀50年代,到了70年代初得到j,迅速發展,并逐漸在塑料中得到應用,是塑料用水性涂料重要的品種之一,具有防腐、耐堿、耐光耐候、成膜性好、保色性佳、無污染、施工性能良好、使用安全等特點;并且可以通過改變共聚單體、交聯劑種類及調節聚合物相對分子質等一系列措施,改變涂料的各種性能。但是水性丙烯酸酯涂料也存在一些缺陷,如容易失光、透水性、吸水性較高、熱黏冷脆。加世紀80年代以來,人們開始研制水性丙烯酸酯復合乳液,以通過各組分間優勢互補來提高水性漆涂膜的整體性能(如光澤、耐水性、附著力等)HJ。水性丙烯酸酯涂料更多地是通過采用其他樹脂或單體對其進行改性。如:環氧樹脂改性水性丙烯酸酯樹脂、水性聚氨酯丙烯酸酯樹脂、含氟或含硅水性丙烯酸酯樹脂等。
在乳液聚合過程中特別引入一些功能性的單體,使得水性丙烯酸乳液和水性鋁銀漿具有良好配伍性和相容性,并且在成膜過程中,幫助和引導水性鋁粉的定向和排列,從而獲得表觀效果非常良好的水性塑料銀粉漆。利用納米二氧化硅為Picketing乳化劑和穩定劑,以水為介質,采用原位無皂乳液聚合方法,與丙烯酸丁酯、苯乙烯、特殊功能單體等共聚,制備了埋料用水性納米改性丙烯酸酯樹脂及涂料。在水性納米改性樹脂中,完全不含游離小分子表面活性劑或改性劑,形成的涂膜對塑料基材如PP、PE、PC、PVC、ABS、聚酯、環氧樹脂等基材表面具有良好的附著力。
采用新型高分子納米材料合成技術制備聚合物納米水分散體,開發的水性塑料涂料系列產品,可廣泛用于家電、摩托車、電動自行車、玩具、鞋材等領域塑料件的表面涂裝,具有不燃、無毒、不污染環境、低成本、節省資源和能源等優點。
(2)水性聚氨酯涂料
聚氨酯含有強的極性異氰酸酯基(一NCO)、一0H以及脲基等,此外分子間能形成氫鍵及范德華力,有較高的內聚力,對極性塑料表面具有很好的粘接力。對于非極性的PE、PP等塑料,除對塑料做表面的處理外,也可在聚氨酯樹脂上接枝上化學性質、表面張力和溶解度參數與這雌非極性樹脂相似的鏈段。
水性聚氨酯也可分為聚氨酯水溶液、聚氨酯水分散體和聚氨酯乳液3種,聚氨酯水溶液在涂料中用得很少,后兩者有時統稱為聚氨酯乳液或聚氨酯水分散體。按組成分有單、雙組分之分,單組分屬熱塑性樹脂,聚合物在成膜過程中不發生交聯,方便施工;雙組分水性聚氨酯涂料由含有活潑一NCO固化劑組分和含有可與一NCO反應的活潑氫(羥基)的水性多元醇組成,施工前將二者混合均勻,成膜過程中發生交聯反應。涂膜性能好。
① 單組分水性聚氨酯涂料
單組分水性聚氨酯涂料是應用最早的水性聚氨酯涂料,具有很高的斷裂伸長率(可達800%)和適當的強度(20 MPa),并能常溫干燥。因為高相對分子質量聚合物不能形成良好而穩定的水分散體,所以傳統的單組分水性聚氨酯涂料通常是較低的相對分子質量或低交聯度。并且在其結構中存在親水性基團,在干燥固化過程中,如果成鹽劑不能完全逸出,那么親水性基團會殘留在體系中,則涂膜耐水性差。而且單組分聚氨酯水分散體涂膜的耐化學性和耐溶劑性不良,涂膜硬度、表面光澤和鮮艷性較低。
為進一步提高單組分水性聚氨酯涂料的機械和耐化學品性能,可引入反應性基團進行交聯或復合改性基料來提高涂料性能,選用多官能度的反應物如多元醇、多異氰酸酯和多元胺等合成具有交聯結構的水性聚氨酯分散體;添加內交聯劑,如碳化二亞胺、甲亞胺和氮雜環丙烷類化合物;采用熱活化交聯和自氧化交聯等。與環氧樹脂復合,將環氧樹脂較高的支化度引入到聚氨酯主鏈上,可提高乳液涂膜的附著力、干燥速率、涂膜硬度和耐水性;與聚硅氧烷復合制備低表面能、耐高溫、耐水、耐候性和透水性良好的復合乳液;與阿烯酸復合,將聚氨酯的較高的拉伸強度和耐沖擊性、優異的柔韌性和耐磨損性能,與丙烯酸樹脂良好的附著力和外觀、低成本相結合,制備高固含量、低成本的聚氨酯一丙烯酸(PUA)復合乳液。
② 雙組分水性聚氨酯涂料
雙組分水性聚氨酯涂料,存在水和一NCO的反應,干燥速度慢,在涂膜過程中易產生氣泡。經對其研究,可利用一NC0與水、一OH的反應速率的不同,選擇合適的水性多元醇和固化劑可獲得有實用價值的雙組分水性聚氨酯涂料,其涂膜光澤、硬度、耐化學性能和耐久性可與溶劑型雙組分相當。
為得到表觀和內在質量均勻的實用涂料,雙組分聚氨酯水分散體涂料還應滿足以下兩個條件:(1)多元醇體系應具有乳化能力,從而保證兩組分混合后,容易把聚氨酯固化劑(特別是未經親水改性的固化劑)乳化,具有分散功能,使分散體粒徑盡可能小,以便在水中更好地混合擴散;(2)固化劑的黏度要盡可能小,從而減少有機溶劑的用量,甚至不用有機溶劑,同時又能保證與含羥基的組分很好地混合。
為獲得綜合性能更加優異的水性聚氨酯涂料,雙組分水性聚氨酯還需在單體和助劑、合成工藝、交聯技術以及優化復合等方面進行改進。目前主要有丙烯酸改性、環氧樹脂改性、有機硅或氟改性、納米材料復合改性體系等。由于水性雙組分聚氨酯相對于其他水性涂料性能卓越,可滿足大多數塑料品種對涂層性能的要求,將是今后水性塑料涂料的主要品種之一。
(3)UV固化水性涂料
UV固化水性涂料一般由水性低聚物、光引發劑、助劑和水組成。水性低聚物的不飽和官能團在光引發劑的作用下,經紫外光照射發牛自由基聚合而固化。這種不飽和樹脂多以常見樹脂進行不飽和官能化而得。按低聚體的化學結構及組成,主要可分為不飽和聚酯、聚氨酯丙烯酸酯(PUA)、聚丙烯酸酯和聚酯丙烯酸酯等4類。它們可以是水溶性的,也可以是乳液或水溶膠。其中,PUA涂料的綜合性能最好,手感、柔韌性好,有較高的耐沖擊性和抗張強度。
塑料用水性涂料與傳統溶劑型涂料相比雖然在安全環保、VOC排放上有很大優勢,但其施工面窄,在調漆、攪拌、噴涂、烘干、運輸、貯存等環節都有特殊的要求,故推廣應用,還面臨許多問題。然而,減少工業生產廢棄物排放和能源消耗已是大勢所趨,水性涂料將逐漸成為具有環保意識客戶和企業的首選涂裝材料。