高性能户外水性木器清漆配方浅析

 徐芬,周巍,周琼辉

上海展辰涂料有限公司

导读：介绍了采用水性丙烯酸乳液为主要原材料，通过添加光阻聚剂、消泡剂、成膜助剂等材料，设计开发并通过试验测试验证了适合厚涂、耐4 h沸水煮的水性户外木器清漆配方。

0 前言
随着城市建设的不断发展，建筑门窗行业的更新换代加快，民用建筑对于门窗的要求不再局限于采光和通风，更重要的是要求使用功能以及改善室内环境和环保的要求。比如有良好的保温性能、抗风压性能、水密性能、气密性能、隔声防噪性能、多向换气性能和防结露结霜性能等。高档木窗和铝木复合窗正具有上述有点。特别是铝木复合门窗，外部使用氟碳或静电喷涂、电泳等方式加工的铝合金型材，内部木材使用红松、樟子松、欧洲赤松、美国南方松、马尾松、花旗松、菠萝格、巴劳、柳安等，整体门窗具有外部高强度、防水防尘、耐腐蚀等特性，内部木材保温保湿、美观舒适，具有很高的装饰使用价值。
本文对应用于门窗内木上的水性木器清漆配方做了简单研究测试。
1 性能要求
1.1 涂膜耐候性和防紫外光老化性
对于窗框漆，长期处于阳光照射下，太阳光对涂膜等高分子材料有老化作用，主要原因是由于太阳光中，波长为290～400 nm的紫外光，对聚合物材料有巨大的影响。一方面太阳光的能量对涂料的聚合或共聚合起光引发作用，另一方面紫外线中较高的能量破坏聚合物的化学键，引发自动氧化，造成涂膜老化降解。并且光降解会引起黄变并丧失透明性，出现龟裂、粉化现象。
1.2 涂膜耐水性
模仿涂膜暴露在结露结霜、下雨、闷热潮湿等严苛的环境，要求用水浸泡后不起泡、不发白，轻微发白后能够恢复，但涂膜不能出现性能下降(如附着力降级)。特别是南方高温高湿的环境中，涂膜更易发白变软，出现涂膜粘连等破坏性现象。有客户就要求涂膜测试需要通过耐沸水煮4 h测试，要求发白后能恢复且不影响涂膜性能。
1.3 涂膜柔韧性和延展性
用于户外的木材内的水分蒸发，以及热胀冷缩、日晒雨淋等自然条件的影响，会导致涂膜脱落、开裂，所以水性户外木器涂料需要有优异的柔韧性和延展性能，以更好更持久地保护木材。
1.4 涂膜防腐防霉性
从水性涂料的制造时起就会导致微生物的污染，水性涂料由树脂、颜料、助剂等组成，这些物质是微生物的营养源，水又是生命要素，这些构成了微生物生存繁殖的物质条件。当环境达到一定的湿度、温度、pH值等条件后，如果没有微生物抑制剂，微生物就开始繁殖生长，于是涂料就会发生霉变、污染、劣化、变质、颜料絮凝、乳液稳定性丧失等。干膜在潮湿、高温的环境下也会受到微生物的侵害，发生大面积发黑、粉化，影响美观，丧失对基材的保护作用。特别是水性涂料用于户外木质门窗时，雨、露、温湿度影响更加剧了微生物的生长繁殖。
1.5 环保
在使用过程中，需要涂料对人体不产生危害。水性木器涂料完全满足国际先进环保指标，低VOC，不含三苯，重金属等指标，通过欧洲标准EN 71-3
2 涂料体系配方研究
2.1 整套涂料体系一般由底漆和面漆组成
底漆采用具有高渗透性的乳液制备，可以增强面漆和素材的附着力，耐候、防水，添加异噻唑酮及咪唑衍生物等干膜防腐材料，赋予底漆涂膜防腐、防霉的效果。一般涂布量为30 μm左右。
面漆采用自交联核壳结构的水性丙烯酸乳液，形成耐水耐候的涂膜。添加特殊的耐老化的颜料，一般为透明氧化铁等，赋予门窗艳丽舒适美观的涂膜色彩，并起到屏蔽紫外线，保护门窗的效果。施工时国内喜欢用高压无气喷涂，一次涂布量在150 μm以上，效率高，但需注意不产生流挂，国外涂布量基本在80～100 μm。
2.2 配方研究
2.2.1 乳液基本数据(见表1)

水性涂料中乳液的性能已经大致决定了产成品的性能，乳液的选择是最重要的。所选择的乳液都应具有良好的耐候性能，适合户外涂料的需求。由于门窗涂料不同于家具、地板等需要很高的硬度，反而需要柔韧性，选择乳液时要在柔韧性和硬度间得到一个较平衡的值。
2.2.2 成膜助剂
由于户外乳液通常最低成膜温度MFFT较低，所以具有极低的成膜溶剂需求。经过测试基础清漆配方中添加2%的成膜助剂的低温成膜性无异常，见表2。

2.2.3 消泡剂
水性户外清漆要求在厚涂下不流挂，就要求将黏度提高，增大触变性，因此在生产分散搅拌过程及施工时厚涂使得涂膜中的气泡更加难以消除。应选择具有强消泡和脱泡作用的有机硅类消泡剂。但又会带入一个新问题，就是流平性能变差甚至会产生缩孔等现象。
2.2.4 紫外光吸收剂
涂膜老化原理主要是发生了光氧化反应，由于丙烯酸对紫外光几乎完全透过，透明涂料体系应该含有足够的苯甲酮或苯丙三唑等紫外光吸收剂，使之能吸收290～400 nm范围的光谱，或是添加位阻胺，切断自动氧化反应发生链，延长涂膜寿命。
2.2.5 高性能水性户外木器清面漆配方(见表3)

3 性能测试
3.1 水性户外清面漆基本性能测试(见表4)

3.2 关键性能测试
3.2.1 耐水性
目前门窗行业暂未明确耐水性测试要求。GB/T23999—2009《室内装饰装修用水性木器涂料》中规定耐水性24 h无异常，耐沸水15 min无异常即可。但客户有时要求极其严格，需要在持续煮沸的开水中测试4 h，要求涂膜不脱落、不发白或发白后可恢复、不发黏，仍然具有保护素材的作用。经过对比竞品，测试了市场上几种可用于户外门窗产品乳液的性能，优选出两种乳液搭配使用，可以通过4 h耐沸水煮的性能测试。耐水性能远优于德国的竞品。
测试过程采用盲测的方案，制板工艺为2底2面，测试结果如图1。结果表明：采用该组配方设计制备的水性户外清面漆在耐水性能上非常优越，达到设计目标，满足客户需求。

3.2.2 耐紫外光老化
GB/T 23999中规定的耐老化测试时间为168 h，测试结果都能满足国标，色差肉眼不可分辨。但根据欧洲测试标准(BS EN 927-6:2006 Paints and varnishes—Coating materials and coating systems for exteriorwood)中测试方法是在UVA-340照射，冷凝、光照、无光照喷淋9个循环，共测试1 512 h。测试结果无鼓泡、剥落、开裂、粉化的异常现象，光泽度较测试前降低，Δ E色差值为13.2(SGS测试)，肉眼可见变色，结果见图2。

4 结语
根据客户要求研发耐沸水4 h的水性户外高性能清漆，测试市场上现有自交联丙烯酸乳液，并搭配强消泡剂，使用光阻聚剂提高耐候性能，研发成功了适合客户需求的产品，性能优于国外竞品。
水性木器涂料产品较溶剂型产品具有天然的耐老化和透气呼吸性能，但同时也具有先天的劣势，耐水性、硬度、丰满度等稍逊一筹。我们还需要在配方设计上更加优化，才能给市场提供最合适的产品。    

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