高光泽UV固化水性白色面漆的设备及其性能
近20年来，中国的经济社会发展取得了举世瞩目的成就，但这种发展更多的是以向自然过度掠夺资源，以牺牲环境为代价的方式取得的畸形发展，这种非持续的发展所带来的环境问题正日益受到人们的关注。自2015年7月，深圳全面禁用溶剂型涂料和溶剂型胶粘剂等装修材料，北京也出台了DB111202-2015《木质家具制造业大气污染物排放标准》，这些政策和法规的出台为大力推进涂料和涂装工艺的水性化、安全化提供了有力的支持和保障。
相比溶剂型涂料，水性涂料和紫外光(UV)涂料相对环保。但是水性涂料的性能和外观与溶剂型涂料有较大差距，并且水性涂料的干燥时间长，降低了涂装效率。UV涂料存在固化收缩和黄变的问题，其中使用的活性稀释剂对人体健康损害较大。相比UV涂料和水性涂料，UV固化水性涂料的干燥时间大大缩短，消除了黄变和体积收缩的问题，环保无毒，是很有应用前景的一类涂料。
本研究制备了一种高光泽UV固化水性白色面漆，这种面漆具有高光泽、手感滑爽，丰满度高的特点，特别是这种面漆VOC含量极低，安全无毒，不但可以用于水性体系，还可应用在全水性UV体系，实现了性能和成本的多种搭配设计，不失为高档白色家具系列的涂装首选。
1实验部分
1.1主要原材料
水性UV树脂：UCECOAT7856（固含量45%）、UCECOAT7200（固含量65%），美国氰特工业公司；Urosin4695（固含量40%）：万华化学；WB2812（固含量35%）：韩国美源商事株式会社；六官能团活性单体：双季戊四醇六丙烯酸酯(DPHA)，工业级，江苏三木集团有限公司。助剂：Tego822（消泡剂）、Tego830（消泡剂）、Tego752W（分散剂）、Tego245（润湿剂）、Tego4100（润湿流平剂），赢创工业公司；BYK2012（分散剂）、BYK028（消泡剂）、BYK346（润湿流平剂），德国毕克化学公司；海明斯德谦1760（抑泡剂）、ACRYSOLTMRM-2020NPR(增稠剂)，陶氏化学公司；E鄄FKA3570(流平剂)，埃夫卡化工公司。引发剂：Irgacure500、Irgacure819，巴斯夫化学公司。颜料：金红石型钛白粉（R-902），美国杜邦公司。防沉剂气相SiO2，溶剂：丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)，pH调节剂：N,N-二甲基乙醇胺(DMEA)等均为市售品。
1.2主要仪器设备
高速分散机；三昆科技紫外线干燥机（镓灯）；三昆科技紫外线干燥机（汞灯）；三昆科技隧道式微波红外干燥机；四波段UV能量计、铅笔硬度仪和百格板；光泽度计；岩田杯NK-2。
1.3样板制备和性能测试
样板基材采用30cm×40cm黑胡桃木贴皮中密度纤维板，全喷涂方式，按封固底漆60~80g/m2、底漆100~120g/m2，面漆80~120g/m2的标准进行施工[3]。样板喷涂封固底漆1遍，水性UV白底2遍，用600目砂纸打磨平整后备用。水性UV白色面漆的预干燥采用3种工艺进行。工艺1：室温静置流平10min后，50℃烘烤15min；工艺2：室温自然放置隔夜预干燥；工艺3：喷涂完毕后采用履带红外微波干燥，干燥时间40s。预干燥完成后采用UV固化干燥，镓灯、高压汞灯各固化1次，固化能量UVA-870mJ/cm2，UVB-731mJ/cm2，UVC-221mJ/cm2，UVV-947mJ/cm2。
漆膜性能测定依据：漆膜硬度GB/T6739—2006，铅笔法测定；漆膜耐水性GB/T1733—1993，浸水法测定；漆膜附着力GB/T9286—1998，划格试验法测定；漆膜耐高低温GB/T4893.7—1985，家具表面漆膜耐冷热温差测定法测试；漆膜光泽采用光泽度仪(60°)，取5个不同区域测得的平均值为漆膜的光泽；漆膜耐乙醇，取95%的工业乙醇滴加在样板上，涂覆面积约2cm×3cm，2h后观察有无变色、起泡或溶解现象。漆膜无明显变化为通过。
1.4水性UV亮光白色面漆的制备
1.4.1高光泽水性UV树脂的选型实验选用了几款适用于制备高光色漆的水性UV树脂，包括氰特公司的UCECOAT7856（固含量45%）、万华化学公司的Urosin4695（固含量40%）、韩国美源商事株式会社的MiramerWB2812（固含量35%），基本配方如表1、表2所示。配方中光引发剂选用Irgacure500搭配深层引发剂Irgacure819，以达到表层、深层均匀固化的效果；为了实现优异的表面效果，选用高效基材润湿剂Tego245、润湿流平剂Tego4100和氟碳改性聚丙烯酸流平剂EFKA3570。
将制备得到的水性UV白色面漆采用喷涂的方式均匀涂布在水性UV白底样板上，施工黏度控制在15~25s（涂4-杯）。喷涂好的样板采用工艺1进行预干燥。预干燥完成后，将样板依次过镓灯和汞灯完成深层固化和表层固化，即得到水性UV样板。将制备得到的样板按测试要求保养7d后进行性能测试。
1.4.2水性UV白色面漆的优化改性
为了获得优异的表面效果和出色的漆膜性能，试验针对UCECOAT7856水性UV树脂就配方中的树脂组分含量进行了调整，并设计采用六官能团单体DPHA或高硬度树脂UCECOAT7200对水性UV白色面漆进行混拼改性的方法，一方面为了获得更好的表面效果，另一方面使漆膜性能得到进一步提升。实验基础配方如表2所示。
1.5水性UV白色面漆的干燥工艺和附着力实验
为了考查制备的水性UV白色面漆的工艺适用性，实验以UCECOAT7856为树脂基制得配方4涂料，采用3种不同的干燥方式进行预干燥，及UV固化干燥。同时取配方4涂料分别喷涂在UV白色底漆板、水性单组份白色底漆板、水性双组分白色底漆板上，进行预干燥和UV固化干燥，考查水性UV面漆与不同的底漆之间的附着力情况。
2.1水性UV白色面漆性能的影响因素
2.1.1水性UV树脂性能
取不同品牌牌号的树脂制备水性UV白色面漆，测试其基本性能，如表3所示。其中漆膜丰满度、表面平滑度采用目视观察的方法进行比较。为了更好地评估各个样板的性能和整体效果，对样板的综合性能进行了定性评分，即总评量化评判。
从表3可以看到，采用4695制备的水性UV白色面漆具有硬度高，耐水、耐醇性能好的特点，这是由于Urosin4695是一款指触干光固化树脂，其低聚物树脂组分的相对分子质量较大，经过交联固化后得到的涂膜硬度较高，但是流平性能下降，造成漆膜表面性能较差，光泽不够高。增加助溶剂的用量可能有助于表面性能的提升。UCECOAT7856水性UV树脂可制备综合性能较好的高光泽白色面漆，涂膜具有良好的耐醇和耐水性能，丰满度高，光泽均匀和表面平滑度较好的特点。UCECOAT7856是一款非指触干光固化树脂，较低的相对分子质量使得其具有很好的流平性能，不需要外加成膜助剂即可得到具有镜面效果的漆膜。但是不足之处在于硬度较低，表面效果还可以进一步提高。为了解决这一问题，进行了配方优化。
2.1.2树脂含量的影响
为了获得最佳的综合性能，实验选取了不同的UCECOAT7856树脂组分含量制备了一系列水性UV白色面漆，通过性能对比，以确定树脂成分在配方中的最佳比例。其中，配方4、10、1、11、12中7856比例分别为65%、70%、75%、80%、85%，性能测试结果见表4。
由表4可以看出，树脂组分的变化对漆膜的理化性能没有明显的改善作用，而对漆膜的表面性能具有一定的影响。各个配方都具有高光泽(≥90°)、高丰满度和较好的表面平滑度。其中，当树脂含量为65%时(配方1)漆膜具有最高的高光泽，为92~92.5°；当树脂组分为80%时(配方11)漆膜综合性能最佳，表现为光泽高度均匀，丰满度最高，具有很好的油润感，同时表面平滑度最好，呈现高清晰度的镜面效果，唯一不足之处在于硬度偏低。
2.1.3混拼改性的影响
为了进一步提高漆膜的性能，试验设计了2种方案提高水性UV白色面漆的硬度。方案1为混拼少量六官能团单体DPHA的方法，如表2中配方1、5、6所示，混拼单体比例分别为0%、3%、6%。方案2为混拼增硬树脂UCECOAT7200，如表2中的配方7、8、9所示，混拼比例分别为15%、20%、35%。通过比较配方1、5、6，可以得到DPHA对水性UV配方的改善效果；通过比较配方7和10、配方8和4、可以得到7200树脂对配方的改性作用，通过比较配方7、8、9，可以得到7200比例的增加对水性UV白色面漆的性能影响。各配方性能对比见表5。
对比表5中配方1、5、6发现，添加3%的DPHA即可显著提高水性UV白色面漆的硬度。这是由于六官能团单体的引入能提高漆膜的交联密度，使得水性UV白色面漆的硬度提高。但是单体的加入影响了漆膜的表面效果，当DPHA的添加量增加到6%时，漆膜硬度并没有提高，而表面效果则进一步降低，这可能是由于DPHA单体直接加入7856乳液中，单纯的机械搅拌很难实现均匀的乳化，使得预干燥以后，DPHA和7856中的低聚物没有实现分子水平的均匀共混，最终引起漆膜在微观上的变形，使得表面平滑度下降。对比配方7（70%-7856+15%-7200）和配方10（70%-7856），发现加入15%的7200可以将漆膜的硬度从B提高到H，光泽也提高约0.5°，但表面平滑度未改善。对比配方8（65%-7856+20%-7200）和配方4（65%-7856），发现加入20%的7200可以将漆膜硬度从B提高到2H，光泽均匀并且提高了0.5°，表面效果也与混拼之前相当。对比配方7、8、9，发现随着7200含量的增加，漆膜的硬度随之提高，但增加到35%时，虽然漆膜硬度增加到了3H，但漆膜丰满度降低，板面光泽降低并且不够均匀，加入20%时漆膜获得了最佳的总体性能。
2.2水性UV白色面漆的干燥工艺
水性UV涂料的干燥可以分为预干燥和固化干燥2个过程。对于水性UV乳液体系而言，其预干燥过程又可以分为3个阶段：第1阶段水分直接从空气-水界面挥发，挥发速度非常快；第2阶段乳胶粒子开始融合聚集，水分从粒子间隙中挥发，挥发速度变慢，第3阶段随着独立乳胶粒子的逐渐消失，水性低聚物分子链相互扩散，水分从低聚物分子内部迁移到表面，挥发速度非常缓慢。涂膜最终含水量取决于低聚物分子和最终交联固化得到的聚合物分子结构[5]。试验取配方1、2、3制备得到的3种水性UV树脂基涂料，采用3种不同的干燥方式进行预干燥，以考查水性UV白色面漆体系的工艺适用性和表面效果。结果发现，通过3种干燥方式都可以得到外观良好，理化性能相当的漆膜，无起泡、橘皮等表面缺陷。其中，通过自然干燥方法得到的漆膜表面平滑度最佳，这是由于相对红外微波干燥和鼓风干燥的方式，水分的自然晾干降低了水分挥发速度，尤其是在预干燥的第2、第3阶段，微量水分在乳液融合聚结成膜过程中具有增塑作用，使得漆膜微观流平性更好。但是自然干燥所需时间较长，不太适用于流水作业的车间，因此在生产对外观要求很高的产品时可考虑选择自然干燥的方式，不仅表面效果最佳，还可降低能耗。微波红外干燥是高效率的干燥工艺，大大缩短了干燥时间，但漆膜表面效果有所降低。
2.3水性UV白色面漆与不同体系的搭配
为了考查实验制备的水性UV面漆的工艺适用性，实验取配方4（65%-7856）白色面漆，分别与UV底漆、水性UV底漆、水性单组份底漆、水性双组分底漆配套制板，测试层间附着力等漆用性能，结果见表6。
从表6中发现，以配方4制备的水性UV白色面漆与UV底漆、水性单组份底漆、水性双组分白底之间具有很好的适用性，不同的底漆对面漆的性能没有明显的影响，其中面漆的硬度是制约配套体系漆膜硬度的关键因素。
3结语
通过配方实验，（1）优选出适宜的水性UV树脂UCECOAT7856，制得了一种高光泽的水性UV白色面漆。通过优化树脂各组分在配方中的比例，混拼DPHA单体或添加高硬树脂的方法，进一步改善了漆膜的表面效果，提高面漆硬度。实验结果表明，当树脂组分在配方中的比例为80%时，制备的水性UV白色面漆表观效果最好；混拼少量的DPHA单体可以提高面漆的硬度，但会损害表面性能；混拼高硬树脂UCE鄄COAT7200可以提高面漆的硬度，并且对表面性能的影响不大，只有当添加量很大时，UCECOAT7200对表面性能的影响才体现出来。（2）实验考查了不同的干燥方式以及水性UV白色面漆与水性体系、UV体系的适用性，结果表明，自然干燥固化后得到的涂膜具有最佳的外观，微波红外干燥可实现工业流水线生产。（3）实验制备的水性UV白色面漆可与UV、水性单组份及水性双组分、水性UV底漆配套使用，配套适应能力强，为高档白色家具的涂装提供了一种环保、美观、高性能的解决方案。
