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有機硅改性水性丙烯酸聚氨酯木器漆的研制

發布時間:發表于 2011-11-07瀏覽次數:2345次

    許玉霞 李彩虹(西北永新化工股份有限公司;)

    摘要:采用半連續滴加工藝,研制了有機硅改性的羥基丙烯酸乳液,用于制備雙組分木器漆,探討了乳液的羥值、酸單體含量、乳化劑種類、有機硅含量等對乳液穩定性及木器漆性能的影響。

    關鍵詞:水性丙烯酸聚氨酯 有機硅改性 木器漆 羥基丙烯酸乳液 單體含量 耐水性

    1引言

    我國是一個木器漆生產和消費大國,年產量在20萬t以上,但水性漆所占比例很少。而在歐洲,目前木器漆水性化已達20%以上,且每年以一定的比例增長。溶劑型木器漆在施工過程中,大量的VOC釋放進大氣中,污染了環境,危害了施工人員的身體健康。目前,我國經過多年的研究開發,所生產的水性PU木器漆已完全可以替代溶劑型木器漆用于室內木器裝飾,滿足家裝行業的要求。我國于2002年頒布實施的室內裝飾材料強制性執行標準和2009年規定對溶劑型木器涂料進行3C強制認證以及建設部醞釀出臺的室內裝修推薦使用水性木器涂料的規范性文件等舉措,為水性木器漆的發展帶來了契機,預計在我國,水性PU木器漆的應用將得到很大的發展。

    水性PU具有不燃、無毒、無污染、快干、耐磨損等優點,已受到人們的廣泛重視。由含羥基丙烯酸乳液和非離子親水改性的多異氰酸酯組成的水性雙組分聚氨酯涂料可用于木器櫥柜,也可用于辦公室和實驗室家具。本研究利用有機硅樹脂表面能低,耐水性、耐候性及透氣性優良的特性,在丙烯酸樹脂中引入有機硅單體,制備了兼具兩者優點的穩定乳液,從樹脂本身提高了木器漆的性能。

    2試驗部分

    2.1原料

    甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)、過硫酸銨(APS)、碳酸氫鈉、乙烯基三甲氧基硅烷、壬基酚聚氧乙烯醚硫酸銨鹽(Co-436)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、蒸餾水、親水改性脂肪族多異氰酸酯固化劑(拜耳VPLS2319)。

    2.2有機硅改性羥基丙烯酸乳液的合成工藝

    在裝有電動攪拌器、溫度計、冷凝管和滴液漏斗的四口燒瓶中加入蒸餾水、復合乳化劑和碳酸氫鈉,攪拌升溫至一定溫度,同時滴加總量8%的混合單體和15%的引發劑溶液,保持反應一定時間,待體系出現均勻藍相后在一定的時間內滴加剩余的混合單體與70%的引發劑溶液,然后再滴加有機硅單體與5%的引發劑溶液,最后再補加剩余的引發劑溶液,保溫反應1h后降溫調整pH為7~8,過濾出料。

    2.3水性木器漆的配制

    水性木器漆的基礎配方見表1。

表1 水性木器漆基礎配方

表1 水性木器漆基礎配方

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    2.4性能測試

    黏度:用NDJ-79型旋轉式黏度計于25℃下測定乳液的表觀黏度。

    凝膠率:聚合反應結束后,將乳液用120目濾網過濾。收集濾網中、反應器壁及攪拌上的凝膠物,水洗后于100℃左右烘干,至恒量后稱量,計算凝膠物占單體總量的百分數。

    3結果與討論

    3.1乳化劑的選擇

    乳化劑對乳液聚合具有關鍵性的作用。陰離子型乳化劑為乳液聚合提供電荷穩定性,能夠防止粒子聚集,乳液的機械穩定性強,但化學穩定性差。本試驗選用陰離子型和反應性乳化劑復配,通過離子型乳化劑提供靜電斥力,反應性乳化劑為共聚單體參與反應,使聚合物乳液具有很大的穩定性,同時提高耐水性能。

    3.2乳液的羥值對漆膜性能的影響

    保持乳液的酸單體、有機硅單體等含量不變,不同的羥值對漆膜性能的影響見表2

表2 乳液羥值對漆膜性能的影響

表2 乳液羥值對漆膜性能的影響

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    從表2可以看出,有機硅改性羥基丙烯酸乳液配漆后漆膜整體性能較好。當乳液羥值較高時,與—NCO反應快,固化時間短,部分羥基被屏蔽在分子鏈中不能充分反應,導致漆膜光澤低、耐水性下降;羥值較低時與—NCO反應較慢,固化較完全,耐水性提高,但太低時交聯密度較低又導致耐水性下降。故本試驗最終確定羥值為100mgKOH/g。

    3.3丙烯酸單體含量對乳液聚合穩定性的影響

    丙烯酸單體含量對乳液聚合穩定性的影響見圖1。

圖1 丙烯酸單體含量對乳液聚合穩定性的影響

圖1 丙烯酸單體含量對乳液聚合穩定性的影響

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    丙烯酸單體含量對乳液聚合穩定性的影響很大,少量可提高乳液的穩定性及對底材的附著力。從圖1中A可以看出,丙烯酸單體含量從1.5%增加到2.0%時,體系穩定性增加,凝聚率下降;繼續增加時由于其在水相中的溶解度大,增加了自由基聚合的可能性,因此凝聚率又增加,故對該聚合體系來講,丙烯酸單體含量過高或過低凝聚率均提高。

    同時從圖1中B也可以看出,丙烯酸單體含量對乳液的黏度也有較大影響。丙烯酸單體含量增加,乳液黏度增加;當丙烯酸單體含量增加到2.0%后,乳液黏度增加變得緩慢。這主要是丙烯酸單體含量增加,中和后羧基趨于舒展,乳液分子鏈自由體積減少,分子運動受阻,故黏度增加。

    綜合以上因素,本試驗確定丙烯酸單體的最佳用量為2.0%。

    3.4有機硅單體含量對漆膜性能的影響

    有機硅氧烷具有優越的耐候抗污性和高度的疏水性,以其改性羥基丙烯酸乳液,可提高漆膜的耐水性等性能。表3為有機硅單體的用量對漆膜性能的影響。

表3 有機硅單體的用量對漆膜性能的影響

表3 有機硅單體的用量對漆膜性能的影響

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    從表3可以看出,功能性有機硅鏈節提高了漆膜的耐水性,這是因為隨著有機硅單體的加入,在成膜過程中硅氧烷鍵發生交聯反應形成具有立體網狀結構的涂膜,從而使聚合物分子鏈間難以被水分子滲透。同時還可以看出,有機硅單體用量增加時,漆膜除耐水性變好以外,其它性能變化不大。這可能是有機硅單體的用量仍然較小,部分單體聚合后被包裹在乳膠粒內部,還有部分處于外部,外部的有機硅聚合物提高了漆膜的耐水性,而內部的聚合物對漆膜性能沒有大的貢獻。因此本試驗確定有機硅單體用量為1.5%。

    4結語

    ⑴用有機硅單體對羥基丙烯酸乳液進行改性,選用陰離子型與反應性復合乳化劑,采用不連續滴加法制備了穩定的乳液。

    ⑵通過試驗確定羥值為100mgKOH/g,丙烯酸單體含量為2.0%,有機硅含量為1.5%,可以制備出耐水性優異的高性能水性木器漆。

    ⑶由于用水作溶劑,消除了VOC對環境的污染,是一種性能優良的環境友好型涂料。

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