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涂刷水性木器漆微泡问题的改进研究浮动球阀

时间:2022年09月09日

涂刷水性木器漆微泡问题的改进研究

涂刷水性木器漆微泡问题的改进研究

章 奕 匡文君 孙 凌

(上海市涂料研究所, 200062 )

摘 要 :对涂刷水性木器漆时影响起泡的因素进行了一系列对比实验,确定了最佳的助剂及其用量和添加方式,解决了涂刷水性木器漆时的微泡问题。

关键词 :水性木器漆;起泡性;消泡性;消泡剂

0 引言

进入 21 世纪后,随着全世界环保意识的不断增强,国内外环保法规的不断完善和加强,以减轻地球负荷为目的,对涂料中挥发性有机化合物( VOC )含量的限制日趋严格,且木器漆市场的不断扩大更要求有低 VOC 的水性木器漆与之相适应,这是木器漆的一种发展趋势。水性涂料作为一个水油相体系,相比于溶剂型涂料更易起泡,且气泡更难消除,从而对漆膜外观产生较大影响okmart.com。本课题针对这一问题,对影响水性木器漆起泡性的因素作了分析研究,通过一系列对比实验,确定了最佳的助剂及其用量,消除了涂刷水性木器漆时的微泡问题,极大地提高了涂刷性能。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

丙烯酸乳液: Rohm & Hass ;消泡剂: BYK 、 EFKA 、 Deuchem 等; 润湿剂: BYK 、 Tego 等;成膜助剂: Eastman 、 Dow ;多功能助剂( AMP 95 ): Angus ;流变助剂: Deuchem ;去离子水;高速分散机;电子天平;烘箱;羊毛刷;涂 -4 杯;量筒。

1.2 实验方法

( 1 ) 润湿剂的起泡性和稳泡性测试方法:在 100 mL 量筒中加入 50 mL 未加消泡剂的漆,再加入润湿剂,上下晃动 50 次,测量此时产生的泡沫体积,来判断润湿剂的起泡性; 10 min 后再次测量泡沫的体积,用即时产生泡沫的体积减去 10 min 后泡沫的体积,来评价稳泡性,取 3 次实验的平均值作为结果。

( 2 ) 漆膜制备:按 GB 1727 — 79 《漆膜一般制备法》进行。

( 3 ) 消泡剂的消泡性与抑泡性测试方法:在 100 mL 量筒中加入 50 mL 漆,再加入消泡剂,摇晃后,待静止无泡后,再上下晃动 50 次(晃动后开始计时),测量此时所产生的泡沫体积来判断消泡剂的抑泡性,而用消除这些泡沫所需时间来判断消泡性,取 3 次实验的平均值作为结果。

2 结果与讨论

2.1 起泡因素的研究

水性木器漆产生气泡的因素通常有下面几种:第一,表面活性剂(乳化剂、润湿剂、分散剂等)的存在。涂料由多种组分组成,各种组分的表面张力不同,已存在起泡的因素,再加入表面活性剂,会形成表面膜,更容易产生气泡;第二,树脂成膜过程中,伴随着与水的副反应会产生气体,从而形成小气泡和针孔;第三,当涂料涂刷在没有完全封底的木器基材上时,底材孔隙内的空气自涂膜内部上溢,气泡被置换出来后会形成小缩孔和针孔。本实验所研究的木器漆是单组分水性丙烯酸体系,涂刷时采用的样板都已完全封底,因此不存在上述因素二和三,气泡的产生主要由表面活性剂引起。气泡的产生与表面张力有关,表面张力较小的体系容易产生气泡,因为增大表面积所需的功较小,但表面张力不一定是气泡稳定的因素。气泡的稳定与表面流动效应有关,也就是与表面张力差有关。纯净液体恒温下不会产生表面张力差,所以即使表面张力较小,较易产生气泡,然而气泡不稳定,很快就会消失。水性木器漆中含有大量的表面活性剂,气泡产生后,由于气泡液膜的扩张和下流使表面活性剂浓度减小,表面张力上升,形成了表面张力差,使临近的表面活性剂移向液膜,在移动中夹带了缔合水分子,使气泡液膜不至因扩张和下流而变薄以至破裂,这样就稳定了气泡。有些表面活性剂在气泡液膜上的取向和排列中会相互缔合,使表面拉伸黏度增大,从而抑制了液膜的下流,也使气泡稳定。

2.2 润湿剂的选择

由于水的表面张力较高,水性木器漆在制备过程中要加入一定量的润湿剂。基于结构上的特点,润湿剂本身就有稳定泡沫、增加起泡性的性能,所以必须选择低起泡性和稳泡性的润湿剂。一般情况下,聚硅氧烷类润湿剂比氟碳类、非离子类、阴离子类润湿剂的稳泡性差。按照实验方法( 1 ),对比了一些聚硅氧烷类润湿剂的起泡性和稳泡性,结果见表 1 。

表 1 润湿剂的起泡性和稳泡性实验数据对比

注: 1 , 2 , 3 , 4 — BYK 助剂; 5 , 6 — Tego 助剂 ; 7 , 8 — Deuchem 助剂。

从表 1 可看出:起泡性: 7 > 2 > 4 > 1=3 > 5 > 6 > 8 ;稳泡性: 7 > 2 > 4 > 1=5 > 3 > 8 > 6 。我们选择了低起泡性和稳泡性的润湿剂加到漆中,用该漆在完全封底的木板和玻璃板上进行涂刷,评价底材润湿性和涂刷起泡性,实验结果见表 2 。

表 2 润湿剂的润湿性和涂刷起泡性比较

注:“好”、“一般”、“泡多”、“泡很多”、“泡少”、“泡很少”是相对而言,仅针对该实验结果,与其它实验结果无可比性,下同。

从表 2 可知:润湿剂 6 的润湿性和涂刷起泡性最优,结合表 1 起泡性和稳泡性的实验结果,润湿剂 6 的综合性能最佳。当润湿剂 6 添加量为 0.2% 时,润湿效果好,且产生的气泡少。

2.3 成膜助剂的选择

水性木器漆中添加一定量的成膜助剂,除了辅助树脂成膜,降低体系的表面张力,改善流平以及增强体系的相容性以外,还有一定的抑泡性。我们选用了几种成膜助剂,加到未添加消泡剂的漆中,经高速分散后,观察产生泡沫量来判断抑泡性,再用该漆在完全封底的木板和玻璃板上进行涂刷,评价涂刷起泡性,结果见表 3 。

表 3 不同成膜助剂的比较

从表 3 可知:乙二醇丁醚的抑泡性最佳,涂刷起泡性最小,是比较合适的成膜助剂。另外,乙二醇丁醚在该体系中的添加量控制在 5% 时即可达到良好的成膜效果,且低泡,如果其添加量过高,会导致体系黏度急剧上升(乳胶粒子溶胀),从而影响消泡性能。

2.4 pH 值和黏度的影响

水性涂料中,常用胺来调节 pH 值,以保证体系的稳定性。体系的 pH 值不同,对于起泡性也有影响。在水性木器漆中添加了不同量的 AMP 95 ,经高速分散后,观察产生泡沫的体积,结果见表 4 。

表 4 不同 pH 值下体系的起泡性比较

从表 4 可知:随着体系 pH 值的增大,越容易起泡,水性木器漆的 pH 值控制在约 8.0 最为适宜。水性木器漆的黏度大小除了要考虑涂刷时流挂与流平之间的关系之外,它还直接影响到泡沫的产生与消除。添加不同量的增稠剂后,对起泡性的影响结果见表 5 。

表 5 不同黏度下体系的起泡性比较

从表 5 可知:随着体系黏度的增大,产生的泡沫越多。这是因为当涂料的黏度增大后,小气泡分布在其内部,浮力不能将其推向表面而长期悬浮其中不破灭,导致泡沫不易消除,产生的泡沫量就多。考虑到涂刷时,黏度小会产生流挂问题,增稠剂的添加量以 0.2% 较为合适。

2.5 消泡剂的选择

一种好的消泡剂应同时具有抑泡和破泡作用。抑泡作用:在高速分散、剪切过程中,能够抑制气泡的产生,并能聚结和消除小泡,提高气泡上升速度;破泡作用:能够破除已经产生的气泡,通常是大泡。一种好的消泡剂还应具有持久的消泡能力:消泡剂的有效组分到达泡膜,吸附了泡膜上的表面活性剂后,破除了气泡,同时提高了自身在水中的分散性,从而失去了继续消泡的能力。这与水性涂料中表面活性剂的类型和用量有关,也是造成水性涂料长期贮存后,消泡剂的消泡能力下降的原因。合适消泡剂的选择可表征为在相容性和不相容性之间寻找一个“平衡点”,太好的相容性会失去消泡作用。当然,最佳的消泡剂选择是有合适的消泡作用而无漆膜缺陷(缩孔和发乌),而消泡能力的调整可以通过调节消泡剂用量来实现。一般来说,消泡剂用量高会提供更好的消泡性,但是这样可能会导致漆膜缺陷增加或使之更明显;消泡剂用量低,可避免漆膜缺陷,但消泡能力可能会不够强,因此必须找到一个最佳“平衡点”。按照实验方法( 3 ),比较了消泡剂的即时消泡性和抑泡性(添加量为各消泡剂推荐用量的中间值)。很多消泡剂会随时间而失去有效性,因此将加入消泡剂的漆于 40 ℃ 贮存 2 周后,再按实验方法( 3 )比较消泡剂的长效使用性,实验结果见表 6 。

表 6 消泡剂的消泡性和抑泡性实验数据对比

注: 1 , 2 , 3 , 4 — BYK 助剂; 5 , 6 — Deuchem 助剂; 7 , 8 — EFKA 助剂。

从表 6 可知:消泡能力: 3 > 7 > 5 > 8 > 6 > 4 > 1 > 2 ;抑泡能力: 5 > 3 > 7 > 6 = 8 > 4 > 1 > 2 ;经过贮存后的消泡能力: 7 > 5 > 3 > 8 > 4 > 6 > 1 > 2 ;抑泡能力: 5 > 7 > 3 >8 > 4 > 6 > 1 = 2 。其中消泡剂 4 、 5 、 8 基本上不受贮存时间的影响,长效使用性较好。选择具有长效消泡性和抑泡性的消泡剂 3 、 4 、 5 、 7 、 8 ,加到漆中(添加量为各消泡剂推荐用量的中间值),以 600 r/min 高速分散 20 min ,静置 1 h 后用该漆在完全封底的木板和玻璃板上进行涂刷,评价涂刷起泡性以及有无漆膜缺陷,实验结果见表 7 。

表 7 加入消泡剂后的涂刷性实验

由表 6 和表 7 可知:消泡剂 5 的抑泡性与消泡性都非常好,涂刷无泡且长效性好,但是出现了缩孔现象,因此对于其添加量以及分散条件还需进行实验。添加不同量的消泡剂 5 并在不同的分散条件下进行分散,静置 1 h 后在完全封底的木板和玻璃板上进行涂刷实验,实验结果见表 8 。

表 8 消泡剂 5 在不同添加量及不同分散条件下

从表 8 可知:消泡剂 5 的添加量为 0 . 3 % ,以 1 200 r/min 分散 30 min ,相对使用效果较好。但同时也发现消泡剂 5 需要在较大的剪切力下使用,而漆液受到较大的机械剪切力后更容易产生气泡,且在一定程度上降低了消泡剂的抑泡和消泡作用。这种搅拌产生的气泡绝大部分经长时间静置后可自行逸出表面消失,但是气泡逸出受到环境温度、静置条件等一些因素的影响,如果一旦气泡逸出破泡困难,就会对木器漆的施工产生影响,涂刷时会有微泡产生。因此在制漆的后期应添加易分散的消泡剂,两者配合使用,可以达到最佳的消泡效果。从表 6 和表 7 中可知:消泡剂 4 和 8 无需在高剪切力下添加使用,且消泡性和抑泡性相对较好,因此我们尝试将消泡剂 5 和 4 ,或者消泡剂 5 和 8 配用,期望取得满意的消泡效果。在水性木器中添加 0.3% 消泡剂 5 ,以 1 200 r/min 分散 30 min 后,再分别添加不同量的消泡剂 4 和 8 ,以 600 r/min 低速分散 10 min ,静置 1 h 后在完全封底的木板和玻璃板上进行涂刷实验,实验结果见表 9 。

表 9 消泡剂 5 与其他消泡剂配用的涂刷实验结果

从表 9 可知:后添加 0.3% 消泡剂 4 ,可以得到满意的消泡效果。从中还发现:原先单独使用时,消泡剂 8 的消泡效果好于消泡剂 4 (见表 6 和 7 ),但是与消泡剂 5 配用时,由于消泡剂之间的协同作用,这时使用消泡剂 4 效果反而更好。

3 结语

通过上述实验可以看出:解决涂刷水性木器漆微泡问题时,在筛选润湿剂、成膜助剂、消泡剂的同时,还需考虑体系的 pH 值和黏度对于气泡生成和稳定的影响。另外,还必须考虑助剂的添加工艺。针对不同的水性树脂体系,必须选择最适合自身体系的助剂,因为没有哪一种助剂具有广泛适用性,本课题所涉及的助剂也仅仅适用于本水性木器漆体系。相信随着水性木器漆的迅速发展及其性能的进一步提高,作为绿色环保涂料产品,其应用前景必然会更加广阔。

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