水性木器塗料的配方及助劑(jì)搭配

　　随着(zhe)中國對環(huán)保的日益重視，溶劑型塗料水(shuǐ)性化逐漸成爲(wèi)大家的共識，木(mù)器漆(qī)也(yě)不例外。近些年水性木(mù)器漆逐漸成爲(wèi)了研發的重點，吸引了越來越多的關注。特别是近年來，國内大型家具廠商對水性木器(qì)漆的(de)興趣日益濃(nóng)厚，更是形成了對水性木(mù)器漆(qī)的現(xiàn)實需求。原因主要有以下三點：

　　a) 國内(nèi)隻有少數工程師熟練掌握了水性(xìng)木器漆研發技術(shù);

　　b) 水性木(mù)器漆廠商的幹燥條件要求與用戶現有幹(gàn)燥工藝(yì)不匹配;

　　c) 原材料市場不豐富(fù)，特别是特效(xiào)助劑種類偏少(shǎo)。

　　一、水(shuǐ)性木器漆的基本構成

　　與油性木器漆類(lèi)似，下列因(yīn)素有助于水性木器漆的(de)定(dìng)向：

　　1、體系快幹性

　　2、恰當的流變曲線(xiàn)

　　3、流(liú)平性

　　4、單(dān)道薄噴

　　5、良好的分散

　　與油性體系不同，水性體系最大的難點(diǎn)是特效(xiào)填料定向助劑的缺乏，例如(rú)水性體系很難找到類似于油性聚酰胺蠟或者CAB這(zhè)種對(duì)填料定向有特效的助(zhù)劑，因此水性配方工作者必須更加耐心的對市面上助劑進行篩選，以滿足上述5點因素。

　　目前随着(zhe)各大原材料供應(yīng)商(shāng)都推出了水性木器漆原材料産品，因此(cǐ)研發人員能拿到大量(liàng)的水性木器漆推薦配(pèi)方。值得注意的是，國外的水性木器漆在施工(gōng)時對施(shī)工(gōng)工藝和條件要(yào)求及其嚴格，因此(cǐ)可能國外供應商提供的(de)配方在他(tā)們的施工工藝和條件下能獲得非常優異的(de)表面效果，但目前國内客戶通常要求适用油性的施工标準，因此通常情況下，很難獲得滿意的性能或(huò)者表面效果，因此客戶在參考這些配方時，需(xū)要明白這一點。

 

　　二、成膜助劑的選擇(zé)

　　類似于溶劑型塗料(liào)中真溶劑和助溶劑，水性體系中成膜助劑也(yě)扮演(yǎn)了類似(sì)的角色，也可以據此進行分(fèn)類。針對水性塗料(liào)幹燥，有一句經典的(de)評價：溶劑型塗(tú)料幹燥是溫度主(zhǔ)導，濕度幹擾;水性(xìng)塗料是濕度(dù)主(zhǔ)導，溫度幹擾(rǎo)。

　　成膜助劑的選擇和搭配對塗(tú)料表現至關重要，如(rú)果配方(fāng)表(biǎo)現好，是因爲成膜助劑;反之亦然。但(dàn)是成膜助劑從體系中(zhōng)揮發的過程又極其複雜，特别(bié)是(shì)混合溶劑，至今也無法給出準确的描述。

　　對塗(tú)料工(gōng)程師(shī)而言最在(zài)乎的是實際應用效果，衆多研究人(rén)員(yuán)對此進行了不斷(duàn)的研究，撰寫了各(gè)種書籍、文章，甚至還有專門的軟件，所(suǒ)以現在(zài)至少可以大緻定性(xìng)描述這些揮發過程，并且可以通過有效的選擇和搭(dā)配來解決一些現實(shí)問題，這對塗料配方工程師來說已經基本夠用。

　　對(duì)于水(shuǐ)性木器漆體系，成膜助劑(jì)的選擇主要基于以下考慮：

　　良好的助成膜性(xìng)：可以降低成膜助(zhù)劑使用量(liàng)，配(pèi)方更加靈活;

　　快幹性：這點(diǎn)對(duì)填料定向，早(zǎo)期性能的重要性不言而喻;

　　适當的(de)揮發梯度：适量的慢揮發成膜助劑對成膜緻(zhì)密性以及防止縮邊等方(fāng)面具有很大的幫助。

　　目前主流的(de)成膜助劑選擇有丙二醇甲醚(PM)、乙二醇丁醚(BCS)、二乙二醇乙醚(DEE)和二乙二(èr)醇丁醚(DEB)。

　　爲了追求更(gèng)快(kuài)的幹燥(zào)速度，甚至(zhì)會選擇乙醇、丙酮(tóng)、苯(běn)甲醇等快揮發溶劑，幾乎是無(wú)所不用其極。

　　在這些醇(chún)醚類溶劑中，PM的選擇主要因(yīn)爲其快速揮發的能(néng)力，隻能作爲助溶劑，而BCS、DEE和DEB主要是爲了建立(lì)一個适宜的(de)揮發梯度(dù)，同時乙(yǐ)二醇醚類溶劑還(hái)具有在不同濃度下(xià)表面張力(lì)可以(yǐ)保持基本不變(biàn)的能力，因此有助于得到更好(hǎo)的操作性，并具有一定的(de)耦合性，便于填料潤濕分散。此外也有文獻表(biǎo)明，在一個比較長的幹燥時間内，相同的揮發速度下，親水性成膜助劑在體系中(zhōng)殘留更低。

　　對于此類成膜助劑選擇，有(yǒu)一定的局限性。主要問題在于爲了保證成膜性，中、慢揮發速度的成膜助劑使用量偏大，導緻塗膜最終(zhōng)性能體現較慢(màn)，這也是目前許多客戶面(miàn)臨的問題。有鑒于此開始尋找新的成膜助劑(jì)，可以很快的從體(tǐ)系中揮發，并具有(yǒu)良好的助成膜性，于是很快鎖定了(le)EEP、n-pentyl Propionate、二丙(bǐng)二醇二甲醚，并對EEP做了初步的(de)測試。

 

　　三、流變助劑(jì)的選擇

　　在水(shuǐ)性木器漆體系中，流變助劑有着極其重要的地位，影響着(zhe)塗(tú)料的各個方面，一(yī)個理想的有效的流變曲線需要具備兩個方面的作用：

　　1、觸(chù)變性(xìng)：

　　良好的觸(chù)變性可以解決防沉和防(fáng)流挂的作(zuò)用。更爲重要的是，良好(hǎo)的觸變性可以保持銀粉在噴到(dào)闆材時，在噴的作用下，乳液粒(lì)子傾向于(yú)平行(háng)排列的狀态，這一點對水性木器漆尤其重要。

　　2、後期流動性，或者從一個更高(gāo)的角度看體系的流平：

　　在噴到闆材後，塗料需要一定的觸變(biàn)性來防止流挂(guà)，并保持粒子的排列(liè)狀态。在過了這個窗口後，塗膜的收縮導緻乳(rǔ)液粒子進(jìn)一步進行排列，此時盡可能低的粘度有助于進一步排(pái)列，以及塗膜的流平(爲什麽在水性(xìng)體系中，流變助劑(jì)對流平的影響至(zhì)關重要，流平劑的選擇一節中将繼續闡述)。

　　這裏對(duì)水性體系流變(biàn)助劑做一個(gè)簡單的介紹，水性工業(yè)塗料(liào)體系常用的流變助(zhù)劑主要有以下(xià)三類(lèi)：

　　a) 堿溶脹型;例如纖維素類，丙烯酸(ASE)類，這類對水相增稠，對pH值非常敏感;

　　b) 締合PU型(HEUR);一般分(fèn)爲三類，牛頓型(建(jiàn)築塗料領域中(zhōng)常(cháng)說的流平劑)，假塑(sù)性和(hé)強假塑型(我們的體系需要使用強假塑型)。這類對顆粒增稠，對表面活性劑敏感(gǎn)，對pH值不敏感;

　　c) 氣相二氧化矽(xī)、有機膨(péng)潤土、蠟類(氫鍵(jiàn)作用型)。

　　對(duì)于觸變性，可(kě)以從各種各(gè)樣的配方中看到這一思路的體現，例如選擇有機膨潤(rùn)土、蠟類流變助劑(BYK一(yī)些資料中關于蠟類(lèi)助劑對定向的幫助有不少論述)。

　　選擇堿溶脹(zhàng)流變助劑主要是基于幾點：

　　1、強觸變(biàn)，有利(lì)于防沉，防流挂;

　　2、對體系的HLB 值不敏感(gǎn);

　　3、對pH值非常敏(mǐn)感。

　　這一點可以用來設計體系的流變曲線，與上節希望成(chéng)膜助劑“适應締合(hé)型(xíng)增稠劑締合需要”中(zhōng)叙述的一緻，我們期待在體系pH值處于堿性時(shí)，堿溶脹流變助劑具(jù)有強觸變(biàn)，在噴到闆上後(hòu)，由于中和(hé)劑的揮發，體(tǐ)系轉(zhuǎn)變成酸性，從而導緻增稠效果大(dà)減，體系粘度盡可能(néng)低，以增加流平和填料定向。

　　需要指出的是如果不是對pH值和中和劑做精心設計，堿溶(róng)脹流變助劑本身并不會對流平有(yǒu)利。有些人(rén)還爲此進(jìn)行了專門的研究，這也是後(hòu)來HEUR類流變助(zhù)劑得到發展的原因。通常相比ASE或者纖維(wéi)素類，HEUR觸變(biàn)性稍弱一些，但對體(tǐ)系流平很有幫助。特别是噴塗(tú)時，高(gāo)剪粘度((強假塑型)高于堿溶脹型，有效防止飛濺，同時濕膜更厚，有利于流平(píng)。

　　對于儲存穩定性，根據(jù)乳膠漆的經驗，堿溶脹型是對體系的(de)水相增稠，而HEUR是對比(bǐ)較疏水的顆粒(lì)增稠(chóu)。如果單用一種類型(xíng)的流變助劑，難以獲(huò)得長(zhǎng)期的滿意的儲存穩定(dìng)性(當然并非不可能)，如果拼用則可以獲得最佳效果，這些都是我們(men)想選擇HEUR類流變助劑的原因之一，正是鑒于HEUR類流變助劑有上述優點，如(rú)果有效的使用強(qiáng)假塑型HEUR，一定可以獲得最(zuì)佳效果。

　　此外還希望借用締合型HEUR的締(dì)合強烈的受到親水性表面活性劑影響的特征來設(shè)計與上(shàng)述ASE類似流變曲線，加入快揮發的疏水性成膜助劑(EEP)，達到締合效果(guǒ)，同時由于中、慢揮發速度的親(qīn)水性成膜(mó)助劑的存在，在疏(shū)水性成膜助劑基本揮發後(hòu)，親水性成膜(mó)助劑在塗膜中富集，降低(dī)締合效果，從而降低粘(zhān)度。

　　但目前的結果是，使用蠟類增稠劑配合ASE，可以比較簡單的獲得一個比較令人滿意的表面效果。

 

　　四、PH調節(jiē)劑的選擇

　　PH 值對水性(xìng)塗料的影響，可以查到非常多的(de)論述，或(huò)者可以參考安格斯對AMP-95 的介紹，各種類型的胺都可以用來做(zuò)pH調節劑，但選擇pH值調節劑主要(yào)從兩個方面來考慮：體系(xì)主成份的反應性;揮發速度。

 

　　五(wǔ)、流平(píng)劑的選擇

　　溶劑型體系可以通(tōng)過表面張力差、低粘度來促進流平。通過選擇(zé)合适的溶劑，使得溶劑的揮發會導(dǎo)緻表面張力(lì)的變化，因此波峰和波谷的(de)溶劑揮發差異會導緻表面張力的(de)差異，促使體系流平。

　　但令(lìng)人(rén)遺憾的是，我們發(fā)現水性塗(tú)料中水分的揮發，體系表面張(zhāng)力變化很不明顯(xiǎn)，依然會比較(jiào)均勻的維持在(zài)較低的表面張力水平，這就導緻水(shuǐ)性塗料喪失了一(yī)個(gè)重要的流平動力。因此水性塗料流平會(huì)更加依賴粘度。

　　同樣水性塗(tú)料在幹燥的過程中，高剪切力消失後，随着水分的揮(huī)發，粘度急(jí)劇上升，特别是(shì)對于噴塗體系，低粘度狀态的流平時間較短，不利于流(liú)平。

　　鑒于上述原因大家就可以理解在流(liú)變(biàn)助劑選擇、成膜助(zhù)劑搭配、pH值調節劑、pH值的選擇這(zhè)些方面做如此(cǐ)複(fú)雜和精心的設計是完(wán)全必要的。

　　水性體系的流平當然不會僅限于靠低粘度流平，市面上也有足夠多的流平劑(jì)來供大家選擇，碳(tàn)氫類、氟碳類、矽類、酯類和丙烯酸類。

　　對于水性體系的流平劑的選擇，我們需要了解兩種表面(miàn)張力：

　　1、靜态(tài)表面張力(也有稱之爲平衡态表面張力(lì));

　　2、動态表面張力。

　　一般而言碳氫類(lèi)表面活性劑具有(yǒu)很(hěn)好的降(jiàng)低動态表面張力的能(néng)力(lì)，而矽類或者氟(fú)碳類表面活性劑具(jù)有很(hěn)好的降低靜(jìng)态表面張力的能力。爲了有效避免表面張力(lì)問題帶來的麻煩，有必要對此進行混拼使用。

　　還需要專門指出的是(shì)水性流(liú)平(píng)助劑并非不可或缺(quē)，有聲稱從來不在水性木器(qì)漆(qī)中使用任(rèn)何專門的流平劑，同(tóng)樣可以獲得卓越的表面效果，這種做法也是有道理的，從一定程度上說碳氫類也好，氟碳類也好，這些(xiē)流平劑作用應該(gāi)體現在以下幾(jǐ)個方面：降(jiàng)低表面張力;提(tí)高潤濕(shī)性;消除幹燥(zào)過程中，表面張力差(chà)異導緻的(de)桔皮或者貝納德漩流渦。

　　由于表(biǎo)面活(huó)性劑的關系，水性體系的表面張力一(yī)直會保持在(zài)比較(jiào)低的水平，這時體(tǐ)系的表面張力(lì)已經可以滿足基本的潤濕需要，而且水分的揮發不會(huì)導緻體系的表面張力大幅度上升，此外水性木器漆水揮發快，粘度上(shàng)升快，流平時間短(所以有可能刷塗(tú)自幹采用流平(píng)劑效果會(huì)更好些)。當然也有稱(chēng)動态表(biǎo)面張力對水性流(liú)平非常重要，可惜沒有看到具體論(lùn)述，無論如何不使(shǐ)用流平助劑(jì)隻是(shì)一種境界，大家還需要對(duì)比實驗，進(jìn)行合理的選擇(zé)。

　　但如(rú)何做到一個理想的木器漆配(pèi)方(fāng)?

　　需要重新審視前面(miàn)的内容：花了很多篇幅來讨論成膜助劑、流變助劑、pH 值調節劑和流平(píng)劑，無非解決3個問(wèn)題：快幹性、恰(qià)當的流變曲線和流平性。實際上快(kuài)幹性是存在極限和限(xiàn)制的，這樣流變曲線就顯得尤爲(wèi)重(zhòng)要(yào)。理想配方也需要從這幾(jǐ)個方面着手，特别是流變曲線(xiàn)，我們設想如下：

　　a)、體系的(de)粘度盡可能由流變助(zhù)劑提供，具有一定的觸變性，而且在抗流挂需(xū)要後，增稠效果消失，此外塗料的粘度還不要太高，以免影響(xiǎng)過濾;

　　b)、成膜助劑除了(le)第二節所述之外，還需要在體系進(jìn)入高(gāo)固含階(jiē)段盡可能降低體系粘度(類似預(yù)聚物法合成PU 時NMP 的作用)，中(zhōng)、慢揮發成膜助劑必(bì)須是親水性，以保證(zhèng)塗膜收縮過(guò)程中乳液顆粒表面盡可能保持(chí)光滑、堅硬，從而更好地移動，以方便漆膜更加平整;

　　此(cǐ)外(wài)對于填料選擇，還可以大膽的設想(xiǎng)，細粒徑的填(tián)料能獲得更佳的定向效果。如果有兩片上下排列的填料(liào)，他們之間一定存在大量的乳液顆粒，這些乳液顆(kē)粒肯定不會非常均勻的(de)分布，在塗膜收縮過程中，乳液顆粒會盡可能的趨向均勻分布，這就存在一個乳液顆粒移動的(de)問題。

　　在水性體系流平時間短的情況下，移動距(jù)離盡可能(néng)短就會顯得比較重要，以8μ和12μ的填料爲例，中心(xīn)的乳液(yè)顆粒如果(guǒ)要移動出填料表面之(zhī)外(wài)，移動(dòng)距離要增加50%，實際體系乳液顆粒移動要比這複雜的多，所以實際(jì)效果差距并不會象前面(miàn)數據那樣大。

 

　　六、其他助劑

　　這樣如果能選擇合适的流變助劑和成膜助劑滿足上述内容，在(zài)使用細(xì)粒徑的(de)填料，可能可以獲得更佳的表面效(xiào)果。采用的助劑通常可以分爲兩類：交聯劑，功(gōng)能性(xìng)填料。

　　性能改善的原因無外乎增加交聯密度，或者改善緻(zhì)密性，或者增加填料接觸面積從而減(jiǎn)少樹脂接(jiē)觸面(miàn)積這幾點。

　　功能性填料可(kě)以做(zuò)如下分類：

　　蠟類耐磨性，硬度，手感等性能提升不是很顯著;

　　白炭黑耐磨性，硬度，耐化(huà)性等性(xìng)能提升顯(xiǎn)著分散是個問題;

　　矽溶膠耐磨性，硬(yìng)度，耐化性等性能提升較顯著穩定性是個問題。

 

　　七、結(jié)語

　　從水性木器漆性能改進方面(miàn)來說，幾年前人(rén)們對水性木器漆的性能，例如附着力、硬度、耐醇、耐摩擦等，還有非常大的懷疑。但現在大多數工(gōng)程師不再有這樣的顧慮，從理(lǐ)論(lùn)上說水性乳液由于更(gèng)高的分子量(liàng)(通常幾十萬到百萬)，因此可以獲得比油性體系更好(hǎo)的(de)物化性能。但溶(róng)劑型原材料已經非常發達(dá)，技術研發人員可以通過特殊原材料選擇，或者助劑來獲得超高性能的塗層，水性産品還不是很豐富，也沒有性能超級出衆的乳液可(kě)以選擇，正确的使用成膜助劑(jì)，搭配适合體系的助劑來改善是具備可行性的。