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水性异氰酸酯在家具生产中的应用

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-->>水性异氰酸酯在家具生产中的应用

0 引 言
在水性木器漆的发展过程中,家具漆的水性化意义十分重大。由于家具漆对涂膜的硬度和耐划伤要求较高,单组分水性木器漆性能难以达到要求,在成膜过程中有化学反应交联、大大提高了涂膜物化性能的双组分水性木器漆自然被看好。在众多类型的双组分水性木器漆中,以水性异氰酸酯为固化剂的双组分水性木器漆在硬度和耐划伤等物化性能方面性能较优。目前,该类固化剂生产商主要有巴斯夫、拜耳、罗地亚等外国公司。其中拜耳自1991年第一代水性异氰酸酯固化剂问世至今已有近20年的历史,但对水性木器漆产业化最有意义的还是其第二代及第三代产品。笔者从家具生产应用入手,结合当前家具特点、工厂生产环境及现场施工情况,对当前常见的水性异氰酸酯中的Bayhydur 305 及BayhydurXP2655进行了应用研究。
 
1 Bayhydur305和BayhydurXP2655介绍
Bayhydur305是BAYER公司的第二代产品,采用醚改性;BayhydurXP2655是BAYER公司的第三代产品,采用磺酸盐改性。与Bayhydur305比较,BayhydurXP2655有更低的黏度和更好的水分散性,其直接与含—OH基多元醇树脂混合时就有好的手搅性。同时,其涂膜的物化性能也大大提高,是当前众多水性异氰酸酯固化剂中最为优秀的产品之一。Bayhydur305与BayhydurXP2655物化指标如表1。
表1 Bayhydur305与BayhydurXP2655典型物化指标
Bayhydur305与BayhydurXP2655典型物化指标
2 水性异氰酸酯与水性树脂的反应
2. 1 反应机理
双组分水性木器漆用树脂按聚合物胶体结构可分为两大类:一类是水分散型多元醇,另一类是乳液型多元醇。其反应机理与溶剂型双组分木器漆大致相同,即树脂组分中的—OH基与固化剂组分中的—NCO基反应,生成氨基甲酸酯。不同的是在水性体系中, —NCO基与水性树脂反应要比溶剂型体系复杂得多。在水性树脂中, —NCO基除了与—OH基反应外,还能与H2O、胺等反应。其与水反应生成不稳定的氨基甲酸,随即分解成胺而放出CO2。CO2的生成会使涂膜产生气泡。并且, —NCO基可继续与胺反应生成脲, 脲还可与—NCO基反应生成缩二脲。因此,在以水性异氰酸酯为固化剂的双组分水性体系中,需要有效地控制副反应的发生,才能有效利用水性异氰酸酯中的—NCO基,得到理想的涂膜。
2. 2 物化性能对比
目前,市面上有多种类型的含—OH基水性树脂,如BAY2ER公司的XP2427、XP2470、XP2651, ALBERD INGK公司的AC2598VP、APU1062、AC31, BASF的S937T等。其中比较有特色的有XP2651、AC2598VP、APU1062。其性能参数如表2。
几种水性树脂的典型数据
将其分别与Bayhydur305、BayhydurXP2655水性异氰酸酯搭配使用的性能如表3。
Bayhydur305、XP2655与3种水性树脂搭配使用的性能表现
 注: 1.n ( —NCO) ∶n ( —OH) = 1.2; 2.铅笔硬度、耐冲击性为铁片上测试(100μm湿膜) ,透明性为玻璃板上测试(100μm湿膜) ,附着力、表干及抗划伤在木板上测试(喷涂1个“十”) ,测试参考HG/T 3828—2006《室内水性木器涂料》行业标准; 3.铅笔为中华铅笔,表干测试温度20 ℃左右,湿度60%左右。
  从表3可粗略地看出,在硬度等机械性能、干燥速度方面, BayhydurXP2655明显要好于305,尤其是BayhydurXP2655与XP2651、APU1062的搭配,其在木材上的涂膜硬度已接近或达到溶剂性PU漆;在透明性方面新品XP2651、AC2598VP、APU1062与XP2655、305都比较好,尤其是XP2651在木材上展现出极好的湿透效果和极佳的木材鲜映性。在手搅性方面, 305明显要比XP2655差,一般需较长时间的搅拌。为方便使用, 305可稀释使用。
 
3 生产应用
3. 1 Bayhydur305、XP2655与水性树脂的选择搭配
表3已粗略地反映出了不同水性树脂与不同固化剂搭配所表现出的差异,从表3可看出, XP2651、APU1062与XP2655搭配都表现出很好地机械性能,但这并不意味着它们都能很好的应用于家具涂装生产。这是因为在家具涂装生产中,环境的复杂性及施工方式的多样性,使批量涂装生产对涂料的要求远比在实验室测试时高。除了机械性能等物化性能外,还有光泽、透明性、厚涂、重涂等方面的要求,任何一种缺陷都可能成为批量生产的致命障碍。在水性木器漆的施工时,一般建议采用薄涂多道的方式,这在装修施工时可行,但在家具生产时,由于生产成本、施工条件、施工物件的涂膜要求等原因,施工人员很难甚至根本做不到多道薄涂。这就会使实验室看不到的缺陷或细小缺陷得到暴露或放大,从而影响其产业化。如在表3中,同时使用XP2655, XP2651与APU1062的物化性能表现差别并不大, XP2651却有更好的透明性;但在生产应用时,特别是厚涂时, XP2655与XP2651的搭配干燥速度却明显要慢,并且容易产生气泡,这个缺陷就影响了XP2651在家具行业的推广使用。表3中的部分搭配在模拟生产施工试验时性能表现如表4。
Bayhydur305、XP2655与3种水性树脂在模拟生产施工时的性能表现
 从表4可见,机械性能好的搭配并不一定能很好地应用于家具厂生产涂装,而无致命缺陷、性价比高的搭配在市场推广中才更有竞争力。
3. 2 Bayhydur305、XP2655 与水性树脂的配比
在水性双组分体系中,主反应与溶剂型PU体系中的反应一样,都是—NCO基与—OH基的反应。在溶剂型体系中,—NCO基与—OH基的理论配比为1,实际配比需通过试验确定。—NCO含量过低,漆膜交联密度低,耐溶剂、耐水、耐化学品性下降,甚至漆膜发软;适当过量,则可增加交联密度,提高耐溶剂、耐化学品性;过量多时,漆膜则会较脆。一般双组分聚氨酯涂料中—NCO∶—OH略高于1,一般在1.05~1.1 ,实际应用中某些产品可达1.2。在水性体系中,由于水性异氰酸酯可以与水及其他活性基团反应, —NCO基需过量,众多实验表明,一般n ( —NCO) ∶n ( —OH) ≥1.5时涂膜性能才能达到最佳。尽管适当过量的—NCO基可大大提高涂膜的硬度、耐化学品等物化性能,但水性异氰酸酯干燥慢,价格高,过高的添加量会延长涂膜的干燥时间,增加涂装成本。并且,由于水性树脂组分一般可自身干燥成膜,水性异氰酸酯只是起到改善和增强涂膜性能的作用,因此, n ( —NCO) ∶n ( —OH)没有溶剂型体系那么严格。在实际应用中,为了降低生产成本,其配比有时并没有到达最佳,而是选择一个性价比较高、施工方便的配比。
3. 3 Bayhydur305、XP2655的稀释性
3. 3. 1 稀释溶剂的选择
由于当前的水性异氰酸酯固化剂本身黏度较高及与水性树脂混合时有不同程度的增稠现象,使批量生产时调漆不大方便。为了方便施工,研究人员尝试将水性异氰酸酯用一些溶剂稀释到一定的浓度。这些溶剂一般为醚酯类或酮醇类,其特点是气味和毒性小,能溶解水性异氰酸酯,且在水中有较高的溶解度。可供选择的有丙二醇甲醚乙酸酯( PMA) 、碳酸二甲酯( PC) 、二丙酮醇及一些常用的水性木器漆成膜助剂,如丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚等。笔者曾对常用的水性木器漆成膜助剂稀释水性异氰酸酯做过研究,发现醚类溶剂对水性树脂与水性异氰酸酯混合后的胶化时间有较大的影响 。进一步研究发现其对涂膜的光泽、表面效果和硬度也有较大影响,采用二丙酮醇时也有类似的情况。故在稀释水性异氰酸酯时选择与水相容性较好的酯类溶剂比较合适,且沸点越低越好,目前常用的稀释剂有PMA、PC等,但由于PMA价格相对便宜且比较常见,故选择PMA做水性异氰酸酯稀释剂的较多。对于Bayhydur305,使用PMA稀释后及不稀释的涂膜性能无明显影响,故可稀释使用;但对于XP2655,用PMA稀释后使用发现涂膜的光泽、硬度会明显降低,表面效果也会明显受到影响,因此, XP2655一般不宜稀释使用。
3. 3. 2 Bayhydur305稀释比例的确定
稀释水性异氰酸酯的目的是为了方便操作,稀释后的水性异氰酸酯在调漆时一般需先用水预稀释成均匀的分散液后再加入到水性树脂组分中,这样可避免直接加入到水性树脂组分时可能引起的局部破乳,这与不稀释时的混合方法不同。从稀释方面讲,稀释浓度越低越有利于预稀释,但浓度太低不但浪费较多的溶剂,增加成本,还会由于溶剂在整个组分中比例偏高,而使施工时出现缩孔。实验表明,在使用PMA稀释Bayhydur305时, PMA与Bayhydur305的比例< 3 /7时,预稀释会有水性异氰酸酯固体析出;比例≥3 /7时,与水1∶1混合,都能较好地预稀释;当比例为1时,预稀释分散性已相当好。因此, PMA与Bayhydur305的稀释比例一般在3 /7~1。
3. 3. 3 稀释稳定性
尽管Bayhydur305可以稀释使用,但厂家仍提供100%固含量的产品,这是因为100%固含量的产品更方便贮存。在使用PMA稀释水性异氰酸酯时,由于工业用PMA本身含有少量的水,水会与异氰酸酯反应,大大消耗水性异氰酸酯固化剂中的—NCO基,严重时还会使水性异氰酸酯固化剂凝胶。因此,使用PMA 稀释的水性异氰酸酯不宜长时间贮存。对Bay2hydur305而言,如果PMA中水分含量小于013% ,其稀释后的常温稳定性可达3个月。
3. 4 环境宽容性
水性木器漆能否产业化的一个关键因素还在于产品本身能否适应家具生产时的复杂环境。其中温度和湿度对于水性木器漆的施工尤为重要。在选用Bayhydur305和XP2655做固化剂时,尽管Bayhydur305 在硬度、干燥速度等方面都不如XP2655, 但对环境的宽容性比XP2655 好。如在使用AC2598VP与Bayhydur305、XP2655搭配时,在高温高湿(温度30 ℃以上,湿度75%以上)的条件下厚涂(150~200μm) ,使用XP2655 透明性及光泽会受到较大影响, 而使用Bay2hydur305则影响不大。
 
4 结 语
水性异氰酸酯是改善水性木器漆性能的一个重要途径,是影响双组分水性木器漆物化性能的重要因素,改善其综合性能,并对其应用进行深入的研究将大大有利于水性家具漆的产业化。Bayhydur305 手搅性较差,硬度一般,但可稀释后使用,综合性能较好,对施工环境有很宽的适应性,价格较便宜; XP2655价格较贵,对水性树脂的选择性及施工环境的宽容性略差,但硬度高、干燥快、有较好的手搅性。硬度低、干燥慢是水性木器漆最大的缺陷,显然, XP2655在这方面比Bay2hydur305 有了很大的改进。无论是Bayhydur305, 还是XP2655,都可以较好地应用于家具涂装,它们的出现及在家具涂装生产中的应用研究进一步促进了水性家具漆的产业化。
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