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水性涂料,英文為waterborne coatings或waterbased coatings,又稱水基涂料。用于木材涂飾的水性涂料有多種分類方法,常見的有按外觀、用途、施工和固化方式、乳液類型、化學結構以及設備方法來分類命名的。
水性木器漆最重要的成分是其中的乳液和構成乳液的樹脂類型,科學的方法是按乳液的化學結構分類。按化學結構,水性木器漆可分為:
• 水性丙烯酸涂料
• 水性聚氨酯涂料
• 水性醇酸漆
• 水性環氧涂料
• 溶膠一凝膠涂料
• 水性光固化涂料
1水性丙烯酸涂料
丙烯酸型水性木器漆是應用較早而且目前仍在大量應用的品種。自20世紀70年代起丙烯酸建筑乳膠漆開始大范圍推廣以來,水性丙烯酸木器漆也隨之出現在市場上。
丙烯酸乳液由丙烯酸酯單體為主的乙烯基單體經乳液聚合而成。聚合過程中添加了乳化劑、穩定劑、ph調節劑等各種助劑,體系相當復雜。采用軟硬不同的單體,調節用量,并改變加料方式可以控制乳液粒子中聚合物分子的軟硬鏈段分布,從而得到不同玻璃化溫度 (Tg或不同最低成膜溫度(MFFT)的乳液。聚合時采用的乳化劑可以是陰離子型的,也可以是非離子型的或陽離子型的,相應的乳液以及制成的漆也可稱為陰離子型、非離子型或陽離子型的。
僅用丙烯酸單體聚合得到的是純丙乳液,制成的漆稱為純丙水性漆。聚合時可添加其他乙烯基單體對乳液進行改性,例如,添加苯乙烯改進漆膜的硬度并降低成本;引入含氟、含硅的單體改進漆膜的表面性能,降低膜的表面自由能,提高疏水性和耐玷污性。由此產生了苯丙水性漆、氟碳水性漆、硅丙水性漆等品種。
丙烯酸乳液制成的漆膜有良好的耐候性,不易黃變,硬度高,光澤好。但是它的主要缺點是抗粘連性差,容易出現熱黏冷脆的現象,硬度過高則低溫成膜性不好,冬天難以進行涂裝施工。通過自交聯聚合、無皂聚合、核殼聚合等技術進一步改進和提高了丙烯酸乳液的性質,特別是采用核殼技術,將乳液粒子制成硬核軟殼或軟核硬殼的結構,甚至軟硬相問的多層結構,以適應不同施工和使用條件的需要。
2水性聚氨酯涂料
聚氨酯是分子結構中具有氨基甲酸酯結構的一類大分子化合物的總稱,通常由二異氰酸酯和多元醇經聚加成反應制成。鑒于異氰酸酯和多元醇種類的多樣性,得到的聚氨酯可以是從軟到硬,從脆到韌,從高彈性到有一定剛性的各種形態的產品。聚氨酯涂料同樣具有很廣的性能調節范圍。
根據制備聚氨酯所用的異氰酸酯類型,聚氨酯乳液和相應的漆可分為脂肪族型和芳香族型兩大類。脂肪族的漆膜有優異的耐候性和抗黃變性,可用作戶外裝飾涂料;芳香族水性聚氨酯多用來做室內裝飾漆。所用的多元醇有聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚烯烴多元醇等,從而產生了聚醚聚氨酯水性涂料、聚酯聚氨酯水性涂料等稱謂。
合成水性聚氨酯的過程中必須引入親水基團或親水鏈段。最常見的親水基團是陰離子的羧酸基和磺酸基;大分子主鏈和側鏈上也可以有季銨離子那樣的陽離子基團;或者引入非離子的聚氧乙烯長鏈段和親水基團羥甲基,相應的水性聚氨酯被稱為陰離子、陽離子和非離子型的。
按聚合得到的粒子大小有聚氨酯乳液和聚氨酯分散體(PUD)兩類,后者通常有納米級的粒徑,外觀半透明甚至完全透明,是目前最好的水性木器漆基料之一,有人將其特別稱為納米乳液,以區別于外觀呈白色的普通乳液。
水性聚氨酯成膜后具有優異的柔韌性,常常與相對剛性的丙烯酸乳液摻混制漆,得到的水性木器漆兼具二者的優點,特別表現在可在較低的溫度下成膜,又有較好的漆膜硬度。更好的方法是在制備聚氨酯分散體的過程中引入丙烯酸單體,制成聚丙烯酸酯為核、聚氨酯為殼的核殼結構粒子。這種聚氨酯一丙烯酸分散體(PUA)被認為是第四代聚氨酯分散體,特稱為雜合物(Hybrid),其性能比丙烯酸乳液和聚氨酯分散體的摻混物更好,主要表現在配漆更穩定,低溫成膜性更優,不返黏,硬度高,柔韌性好,附著力好等,得到了廣泛應用。
3水性醇酸漆
植物油經醇解后再與酸酐反應生成醇酸樹脂,加大親水基團的含量可制成水溶性或可水分散的樹脂,水溶性的水性醇酸外觀相當透明,但有顏色,而醇酸乳液呈棕黃色不透明狀。醇酸樹脂分子中的不飽和鍵是漆膜具有優良性能的基本保證。與溶劑型醇酸一樣,可以通過油度長短來調節涂層的性能,油度短,干燥快,光澤高,漆膜硬度大;油度長,漆膜的柔韌性好,耐沖擊性好。因此水性醇酸也有短油度和長油度之分。
醇酸樹脂在木材上有良好的滲透性,特別適用于制造水性著色劑。水性醇酸的另一大優點是利用空氣中的氧氣交聯固化,所以漆膜的耐溶劑性大大優于其他單組分水性漆。丙烯酸改性水性醇酸是在醇酸合成時在分子中接入丙烯酸單體,改性后的醇酸樹脂保光性得到顯著提高。近來,為了進一步提高水性醇酸漆的性能,開發了醇酸/丙烯酸雜合技術,制成醇酸聚合物為核、丙烯酸聚合物為殼的核殼體系,親水的丙烯酸殼保護醇酸核不被水解。涂裝后漆中的水揮發,乳液細粒子滲入木頭微孔中,線型的聚合物分子再經氧化交聯成膜。
水性氨酯油是用二異氰酸酯改性的醇酸樹脂。二異氰酸酯與醇酸樹脂的羥基反應生成聚氨酯結構,具有了某些聚氨酯的性能,同時保留了醇酸樹脂氧化交聯的特性,由此制成的單組分水性漆施工方便,性能優異,是水性漆中優良的品種之一。
4溶膠/凝膠涂料
溶膠一凝膠涂料(Sol—Gel coatings)是近年來受到特別關注的新型涂料品種。無機納米粉料的進展促進了溶膠一凝膠涂料的發展。
溶膠一凝膠涂料的主要成分是有機樹脂和硅烷化合物,硅烷水解生成溶膠,然后在固體表面上再經縮合變成凝膠。硅烷中的活性基團極易與有機樹脂或二氧化硅溶膠這樣的無機材料反應,硅烷本身也可以縮合成網狀結構的大分子,最終形成硬度高、耐劃傷、耐溶劑、耐水的漆膜。涂料中的溶劑主要是異丙醇這樣的有機溶劑,含有少部分的水,嚴格地說不是真正意義上的水性涂料,但是是環保型涂料。新近嶄露頭角的木器漆用的溶膠一凝膠涂料是一種極有前途的木器涂料新品種。
5水性光固化涂料
水性光固化涂料是按固化方法分類的一類涂料,是很重要的一類涂料。任何聚合物分子中,只要引入了能被光引發劑分解的自由基作用的活性基團,或能被高能輻射激發產生活性基團的結構都可以制成光固化涂料或輻射固化涂料。
按固化所需的光源分,有紫外光(uV)固化涂料、可見光固化涂料和電子(EB)束固化涂料,最常見的是UV固化方式。光固化涂層有高度交聯的結構,耐溶劑性、耐劃傷性十分優異,漆膜硬度很高,作為水性地板涂料用得最為廣泛,當然也可用做水性家具漆、水性櫥柜漆和水性板壁漆。