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张胜文 , 何立凡 , 李效玉 ( 北京化工大学材料科学与工程学院 , 纳米材料制备科学与技术基础教育部重点实验室 , 北京 100029)　　摘　要 : 蜡助剂是水性木器涂料中使用的一种功能性助剂 , 本文研究了不同种类的蜡助剂在水性木器涂料中的使用对漆膜性能的影响。采用复配法将水性蜡助剂加入到水性木器涂料中 , 蜡助剂在涂料成膜时均匀地分散在整个涂层中 , 蜡助剂的加入能够显著提高漆膜的抗回粘性和耐刮伤性能 , 但是大粒径的蜡助剂会引起漆膜光泽的下降。 关键词 : 蜡助剂 ; 水性木器涂料 ; 耐刮伤性 ; 丙烯酸酯乳液 0 　引　言 随着人们环保意识的增强 , 水性木器涂料越来越受到人们的关注与青睐 [ 1 ] 。但是与传统的溶剂型涂料相比 , 水性木器涂料仍有许多不足之处 [ 2 ] , 如耐水性特别是耐沸水性差 , 耐有机介质性能不好 , 木器装饰涂层丰满度差、抗回粘性和耐洗刷性差、机械强度不理想等 , 这些都阻碍着水性涂料进一步的推广与应用。针对以上存在的问题 , 除了通过设计并合成结构适宜的水性树脂体系外 , 选择合适的助剂也是提高水性木器涂料性能的一个重要手段 , 其中 , 蜡助剂的使用不仅可以提高漆膜的耐刮伤性能 , 同时还会对漆膜的耐粘连和光泽等性能产生影响。本文研究了不同种类的蜡助剂在水性木器涂料中使用后对最终漆膜性能的影响。 1 　实验部分 1. 1 　原　料 水性木器涂料专用乳液 (ACIC - 2602) : 工业级 , 北京化工大学研制、武汉安泰化学工业公司生产 ; 蜡分散体 (D - 272) 、蜡微分散体 (MD - 2000 ) : 翁开尔公司提供 ; 蜡乳液 (A -C392) : Honeywell 公司提供 ; 成膜助剂 (NEXCOAT 795) 、消泡剂 ( 681F ) 、流平剂 ( 2020) 、多功能助剂 (AMP95 ) : 均为工业级 , 北京兴美亚化工有限公司提供 ; 润湿剂 ( Tween80) : 天津市医药公司产品 ; 1, 3 - 丙二醇 : 北京益利精细化学品有限公司产品。 1. 2 　配制工艺 (1) 高速分散机的搅拌速度 800 r/min, 在配漆缸内依次加入水性木器涂料专用乳液 (ACIC - 2602) 、 AMP95 、 Tween80 水溶液和 1, 3 - 丙二醇 , 每次加料后的搅拌时间在 10 min 左右。 (2) 将消泡剂 ( 681F ) 溶于成膜助剂 (NEXCOAT 795) 中 , 然后缓慢加入到上述体系中 , 加完后搅拌时间不少于 60 min 。 (3) 加入流平助剂 , 搅拌时间控制在 30 min 左右。 (4) 加入蜡乳液 , 搅拌 15 min 。 (5) 120 目滤网过滤出料。 1. 3 　性能测试 用 MALVERN 公司的 Nano ZS 激光粒度分析仪测定蜡乳液的粒径及分布 ; 涂料固含量按 GB /T1725 — 1979 ( 1989) 测试 ; 涂料黏度用 SHEEN 公司的 480 型旋转浆式黏度计测定 ; 样品涂膜以后 , 室温养护 7 d 以上以备测试 , 用光泽仪测定其 60 o 光泽 ; 用重庆光学仪器厂的 XJ2 - 1A 型正置金相显微镜观察漆膜表面形态 ; 按 GB IT1762 - 80 测定漆膜的回粘性能 ; 用剑桥 S250MK3 型扫描电镜观察蜡颗粒微观形态。 2 　结果与讨论 2. 1 　蜡助剂的种类 按照蜡的来源蜡助剂可简单分为天然的与合成的 , 其中 , 天然的蜡主要来自于动植物与化石 ; 合成蜡则主要为化学合成的聚烯烃蜡 , 如聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、聚四氟乙烯蜡等。蜡助剂就产品形态可分为微粉蜡和乳化蜡 , 微粉蜡虽然制备相对简单 , 而且易于存放和运输 , 但由于微粉化的蜡助剂在水性涂料制备中不如其他几种方便添加和均匀分散 , 所以在实际生产中应用较少 ; 为了方便蜡助剂在涂料体系中的加入 , 将其直接乳化或者先粉化后乳化而制成蜡乳液、蜡微分散体和蜡分散体 , 三种液态存在的助剂很方便地加入到水性涂料体系中 , 并且能够很好地均匀分散 , 因此其应用也越来越广泛。本文各选用了一种类型的蜡助剂作为研究对象 , 其主要成分均是聚乙烯蜡 , 通过 SEM 对蜡颗粒的微观形态进行了表征。本研究中所采用 D - 272 蜡助剂是一种基于聚乙烯蜡的水性蜡分散体 , 图 1 中 a 、 b 分别是 D - 272 的不同放大倍数的微观形态照片 , 从图中可以看出 , 它不是简单的只有一种蜡颗粒组成 , 既包含了粒径在 10 μ m 以上的无规则形状的直接蜡分散体 , 也包含了粒径较小 ( < 1 μ m) 的圆球形微分散体。图 1C 是蜡微分散体 MD - 2000 的微观照片 , 从图中可以看出 , 蜡微分散体的颗粒粒径一般在 1 μ m 以下 , 基本为球形 , 且分布比较窄 ; 图 1d 是蜡乳液 A - C392, 其粒径微小 , 在 10 ～ 30 nm 的范围内 , 分布均匀。 图1蜡助剂颗粒的微观扫描电镜照片 2. 2 　蜡助剂在水性涂料中的分散 在以前的研究中有人 [ 3 ] 将蜡助剂的作用机理称之为“漂浮理论” , 也就是蜡助剂分散到涂料体系中之后 , 在涂料施工之后的物理干燥或者固化交联的过程中 , 蜡颗粒会向漆膜的表面漂移 , 逐步迁移到涂膜的表面 , 从而起到一定的保护作用 , 如图 2 所示。这个作用机理是在研究溶剂型涂料体系过程中提出的 , 然而对于水性木器涂料 , 由于其与溶剂型涂料体系存在着许多截然不同的特性 , 蜡助剂在水性体系中分散的报道还很少。图 3 中显示的是蜡分散体 D - 272 分散在漆膜表面的显微镜照片。 图2蜡助剂的分散模拟图 图3蜡助剂分散体在漆膜表面的分散 从图 3 可以看出 , 视野内看到的蜡分散体颗粒的直径多在微米级 , 根据体系中蜡助剂的添加量可计算得到干膜后体系中蜡分散体的质量分数 : 式中 : w 为漆膜中蜡分散体的质量分数 ; w 1 为蜡助剂的固含量 ; w 2 为加入蜡助剂之前涂料的固含量 ; m 1 为蜡助剂的加入量 ; m 2 为加入蜡助剂之前水性涂料的质量。 根据式 (1) 计算可以得到漆膜中蜡分散体的质量分数为 5 . 04% 。然而蜡助剂本身的粒径也具有一定的分布 ( 如图 4 所示 ) 。 图4蜡助剂的粒径分布 　　图 4 中颗粒较大的 ( 微米级 ) 蜡分散体在图 3 中可以看到 , 而粒径较小的 ( 纳米级 ) 在图 3 中的放大倍数下不能看到 , 两者的质量分配可以根据粒径的分布与数量分布按统计原理计算得到。计算结果为大颗粒 ( 微米级 ) 的质量比为 42% , 小颗粒分散体的质量比为 58% 。这样 , 图 3 中显示的粒子面积占视野总面积的理论百分比应该为 : 2.1% (5 .04% × 42% ) 。而根据图中比例测量得到粒子面积的百分比为 2. 4% , 两者相差不大 , 从而可推断 , 蜡分散体的粒子在漆膜表面基本上没有富集 , 这与溶剂型体系中蜡分散体在涂层中的分布情况是不相同的。 2. 3 　蜡助剂对漆膜耐刮伤性能的影响 以乳液 2602 为主要成膜物质配制而成的水性木器涂料具有优异的硬度、耐黄变和耐水性。将蜡乳液应用到该水性木器涂料的制备体系中 , 在很大程度上可以提高漆膜的耐回粘性和耐划伤性 [ 5 ] 。图 5 为漆膜表面划伤后的微观照片。 图5漆膜表面划伤后的微观照片 从图 5 中可以看出 , 未加入蜡助剂之前 , 漆膜表面较容易被划破 , 而加入不同类型的蜡助剂之后 , 同样的外力情况下 , 漆膜表面的抗划伤性能都有较大的改善。其中 , 分散体 D - 272 中的大颗粒在抵抗外力对漆膜的损伤中起到至关重要的作用 , 从图中 d 可以看出 , 来自外部的划伤力在漆膜表面产生的划痕在遇到分散在漆膜表面的大粒径的蜡颗粒后大大减弱 , 阻止了划痕的进一步延伸与加重 , 而 MD2000 与 A - C392 由于蜡颗粒的粒径较小 , 其抵抗外来划伤的能力也相对较弱。从总体来看 , 蜡助剂的加入提高了漆膜本身的耐划伤能力 , 分散在漆膜中的大蜡颗粒起到了增强作用 , 承受住了来自外力的破坏 [ 5 ] 。表 1 为蜡助剂的加入量对漆膜耐划伤性能的影响。 表 1 　蜡助剂的加入量对漆膜耐划伤性能的影响 　　从表 1 可以看出 , 随着蜡助剂的加入 , 漆膜表面的耐划伤性能逐渐提高 , 当 D - 272 加入量达到 3% 时性能表现最佳 , 再增加用量没有明显变化 , 考虑到成本因素 , 该蜡助剂在这个体系中的加入量控制在 3% 。而对于 MD - 2000 与 A - C392 由于自身性能的原因 , 要想达到理想的抗划伤效果 , 则需要继续增加助剂的用量。 2. 4 　加入蜡助剂后漆膜的回粘性 水性丙烯酸酯涂料漆膜的高温回粘性是制约其在家具生产上应用的一个重要因素。蜡助剂的加入可以明显提高漆膜的抗回粘性。对不同类型的蜡助剂对漆膜粘连性能进行研究 , 将制好的样板按照相关的测试方法进行测试 , 结果如表 2 所示。 表 2 　蜡助剂对漆膜抗粘连性能的影响 　　以上测试是在漆膜室温环境干燥 1 周后进行的 , 测试温度为 60 ℃ , 压力为 4.9 × 10 4 Pa, GB /T 1762 — 1980 ( 1989 ) ,15 min 后观察漆膜表面。测试结果按照等级分类 , 1 级 : 样板倒转 , 滤纸片能自由落下 , 或用执板之手轻敲几下 , 滤纸片能落下。 2 级 : 轻轻掀起滤纸片 , 允许有印痕 , 粘有稀疏、轻微的滤纸纤维 , 纤维的总面积为 1 /3 以下。 3 级 : 轻轻掀起滤纸片 , 允许有印痕 , 粘有密集的滤纸纤维 , 纤维面积在 1 /3 ～ 1 /2 之间。三者的抗回粘性能略有不同 , 由于 D - 272 具有粒径双分布的组成 , 当漆膜表面与外界平面接触时 , 其中分散在表面的较大蜡颗粒对整体起到了很好的支撑骨架作用 , 减少了漆膜表面的接触面积 , 大大减缓了高温时漆膜的粘连性 , 而其他两种粒径较小 , 虽然加入以后也对漆膜的回粘性有一定程度上改善 , 但是效果没有前者那么明显。 2. 5 　蜡助剂对漆膜光泽的影响 当蜡助剂加入到水性涂料中以后 , 蜡颗粒近似均匀地分散在体系中 , 施工以后 , 分布在漆膜表面的蜡颗粒会对漆膜表干以后的光泽产生影响 , 由于不同类型的蜡助剂颗粒大小及分布各不相同 , 当受到光线照射后会产生不同程度的漫反射 , 从而对漆膜光泽也会产生不同的影响。表 3 为蜡助剂对漆膜光泽的影响。从表 3 中可以看出 , 蜡分散体 D - 272 对漆膜光泽的影响还是很大的 , 这主要是与它组分中的大粒径有关 , 这种蜡助剂消光性对于配制半光或亚光漆是很有益的 , 它的加入不仅能够 表 3 　蜡助剂对漆膜光泽的影响 注 : 表中数据为漆膜的 60 °光泽。 提高漆膜的抗刮擦和抗回粘性 , 而且还能减少消光剂的用量 , 在调配半光的水性木器漆时甚至不用消光剂 , 单纯加入蜡助剂就可以达到理想的消光效果。既节约了成本又降低了工艺的复杂性。而要想得到较高光泽度的漆膜 , 具有小粒径的蜡乳液 A - C392 则是最佳选择 , 它的加入不仅不会影响漆膜的光泽 , 而且微小的光滑的球形蜡颗粒均匀的分散在漆膜中还可以弥补漆膜表面的微小缺陷 , 在一定程度上提高漆膜表面的光泽。微分散体 MD - 2000 对漆膜的光泽的影响也不是很大。 3 　结　语 蜡助剂作为一种重要的涂料助剂 , 均匀分散到水性木器涂料中 , 不仅能够提高漆膜的耐划伤性能和抗回粘性 , 还会对漆膜的光泽产生影响。不同类型的蜡助剂由于具有不同的微观结构 , 加入到涂料体系中并最终成为漆膜的一部分 , 蜡分散体加入到水性木器涂料中能够明显提高漆膜的抗刮伤性能与抗回粘性 , 但是它会对漆膜的光泽有一定的影响 ; 而选用粒径较小的蜡乳液或者微分散体 , 可以保证漆膜高光泽前提下 , 使其抗回粘性与抗刮伤性能有所改善。