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1、郑建鹏 , 张 军 ( 广东华润涂料有限公司 , 广东顺德 528306)摘要：影响聚氨酯亚光清漆涂膜光泽度的因素是多种多样的,既有涂料配方的特殊性,也有涂装工艺的规范性,更有施工环境的差异性。本文系统研究了影响聚氨酯亚光清漆消光作用的环境因素、施工因素与配方因素等,探讨了各因素影响涂膜消光的机理,并全面总结了提高聚氨酯亚光清漆涂膜光泽稳定性的方法。关键词：聚氨酯亚光清漆；消光；光泽度0 引言聚氨酯亚光清漆的消光就是在配方中加入一定量的消光剂,消光剂在涂料成膜过程中随着溶剂挥发时形成的上下对流而被夹带至涂膜的表层。因表层黏度比较大,所以消光剂就滞留在表层而提高了表层的颜料体积浓度,形成了微细粗
2、糙度表面。当入射光到达表面时发生散射,产生消光的外观。聚氨酯亚光清漆在不同的施工环境和施工方式下经常会出现光泽的不稳定,因此,如何针对聚氨酯亚光清漆的特点,分析其影响消光的因素,实现对光泽的控制是一个成功涂料配方的重要组成部分。本文就影响聚氨酯亚光清漆消光作用的环境因素、施工因素、配方因素等几个方面进行了研究,分析其影响消光的机理,总结了在实际应用和配方设计中如何提高 PU 亚光清漆的光泽稳定性。1 试验部分1.1 试验设备设备：可调速高速分散机、分散罐、温湿度显示仪、电子天平(感量 0.01g)、恒温恒湿喷房、W-71 喷枪、秒表、岩田 2杯、WGG-S 型数字光泽测量仪等。1.2 原料及配
3、方主漆：短油醇酸树脂、分散剂、消泡剂、流平剂、聚酰氨蜡浆防沉剂、消光剂(二氧化硅消光粉)、二甲苯、丁酯、PMA。固化剂：聚二异氰酸酯。稀释剂：二甲苯、丁酯、PMA 等。1.3 聚氨酯亚光清漆涂膜制备底材：统一喷过聚氨酯透明底漆的黑色中密度底板(20cm30cm)。打磨：600砂纸砂光至无亮点。配漆：主漆-OH:固化剂-NCO1:1,加入稀释剂调稀黏度至 12s(岩田 2杯)。喷涂：湿膜(11010)g/m2,干膜厚度 2530m。待干：根据所设定的条件干燥 24h。1.4 测定方法 通过不同条件制备的涂膜在待干 24h 后,用 WGG-S 型数字光泽测量仪测量。采用 85入射角和 60观测角进
4、行评定。读取数据为五个测试点的算术平均值,各测试点读数与平均值之差不大于平均值的 5%。2 结果与讨论2.1 环境因素根据施工现场可能影响光泽的三种因素：温度、湿度、涂膜表面风速分别进行测试。2.1.1 温度按 1.2、1.3 的要求制备涂膜,在同一湿度下不同温度的光泽度如表 1。表 1 表明在同一湿度下,随着温度的上升光泽度明显下降。根据消光的原理入射光只有在粗糙的表面才能产生消光,而且粗糙度越大光泽才会越低。这说明在同等条件下温度影响消光作用是由于：温度的上升加剧了涂膜内部溶剂的上下对流和表面的挥发,致使更多的消光剂随着溶剂的扩散迁移到表层(如图 1),同时由于涂膜表层的黏度上升较快,消光
5、剂在表层的滞留就越多,涂膜表面的粗糙度也就越大,光泽度就越低1。因此,在不同温度下要获得稳定的光泽必须调整体系溶剂的挥发速度,选择合适的稀释剂。表 1 在同一湿度下不同温度的光泽度图 1 溶剂在涂膜内部的对流和挥发的过程2.1.2 湿度按 1.2、1.3 的要求制备涂膜,在同一温度下不同湿度的光泽度如表 2。表 2 表明在同一温度下,随着湿度的上升光泽度会缓慢地降低。这主要是空气中的水分与固化剂(聚二异氰酸酯)在涂膜表面发生部分反应,造成涂膜表面的收缩,产生了一定的粗糙度,以致光泽度下降,但影响不明显。表 2 在同一温度下不同湿度的光泽度2.1.3 涂膜表面风速 按 1.2、1.3 的要求制备
6、涂膜,在同一温湿度下不同风速的光泽度如表 3。表 3 表明在同等条件下,随着涂膜表面风速的上升光泽度明显上升。这主要是风促使了涂膜表面的快速表干,从而阻碍了涂膜内部溶剂的扩散和挥发,以致消光剂在涂膜表层的滞留减少,降低表面的粗糙度,光泽度上升。表 3 在同一温湿度下不同风速的光泽度2.2 施工因素在现场的施工中也会因操作者的不同施工习惯而造成光泽度的不稳定,主要体现在：涂布量、施工方式等。以下就这些因素进行讨论。2.2.1 涂布量在同等条件下,根据现场施工允许的范围内分别测试：90g/m2、110g/m2、140g/m2、170g/m2。在同等条件下不同涂布量的光泽度如表 4。表 4 表明在相
7、同条件下,涂布量越大光泽度就越高。这主要取决于消光剂的粒径与涂膜厚度的平衡关系,很明显在消光剂粒径固定的情况下,随着的涂布量增加涂膜不断变厚,当消光剂的粒径远小于涂膜厚度时,消光剂滞留在表层的颗粒会减少,形成的表面粗糙度降低,消光度就会上升。相反涂布量减少光泽度就下降,但过少时会影响涂膜的外观和手感。所以只有采取合适的涂布量才能达到很好的消光效果,又有很好的涂膜平整度。表 4 在同等条件下不同涂布量的光泽度2.2.2 施工方式目前聚氨酯亚光清漆的施工方式主要有：立面喷涂、平面喷涂、立面刷涂、平面刷涂、二次重涂、湿碰湿重涂等。这些同样会对光泽度有一定的影响,其主要原理与 2.2.1 相同,在实际
8、应用中,由于立面施工要考虑到是否会流挂,所以施工时涂布量往往比平面施工的少,加上立面的涂膜中消光剂不会因为产生下沉而降低消光,因此立面施工比平面施工消光度要低；至于喷涂和刷涂,一般刷涂的光泽度要低于喷涂,因为刷涂的涂膜没有喷涂的平整,而且刷子走动的过程增加了涂膜与空气的接触面,从而加剧溶剂的挥发,提高了消光作用；二次重涂和湿碰湿重涂主要区别是涂布量,二次重涂是涂膜干燥后打磨再喷涂涂料,因此涂布量不变,光泽不会有较大变化。而湿碰湿重涂则是在涂膜表干(未实干)再喷涂涂料,底层和上层之间有一定的相溶,相当于增加了涂布量,所以光泽度会增加。总之,在现场的施工应用中要获得稳定的光泽度必须考虑涂布量和施工
9、方式对消光作用的影响,只有平衡两者的关系才能达到较好的效果。2.3 配方因素 在聚氨酯亚光清漆的配方中对光泽度影响的因素主要有：树脂、固化剂、改性物质、溶剂、消光剂等原材料。下面就配方中常用的原材料的类型、特性、用量对光泽度的影响进行讨论。2.3.1 树脂在同等条件下,采用了等固含量的常用豆油醇酸树脂、蓖麻油醇酸树脂、椰子油醇酸树脂进行测试。结果如表 5。表 5 同等条件下不同树脂的玻璃化温度和光泽度表 5 表明在同一配方体系中等固含量的不同类型的树脂对消光作用的影响不大。但在测试过程中发现树脂的玻璃化温度越高其消光性越好,这主要是不同玻璃化温度的树脂会影响湿涂膜中溶剂的释放性,玻璃化温度高的
10、树脂有利于溶剂的释放,从而加快了涂膜内部溶剂的对流和表层黏度的增加,造成消光剂更多的滞留,所以消光性会好一些。2.3.2 固化剂采用同一主漆,按-OH:-NCO1:1 的配比制备涂膜,分别对 TDI 加成物、TDI 三聚体、TDI/HDI 混合三聚体进行测试。结果如表 6。表 6 在同等条件下不同固化剂的玻璃化温度和光泽度表 6 表明 TDI 三聚体和 TDI/HDI 混合三聚体的消光作用明显优于 TDI 加成物。这可能要取决于固化剂的玻璃化温度和其与溶剂的相溶性。TDI 三聚体固化剂和 TDI/HDI 混合三聚体的玻璃化温度都比较高,所以在成膜过程中由于其自干性和对溶剂的释放性,使得湿涂膜迅
11、速增稠,在短时间内凝定消光剂,使消光剂的排布更有利于消光；同时随着溶剂的挥发,固化剂的不相溶性同样会提高湿涂膜的黏度,起到对消光的帮助。通过试验发现 TDI 三聚体固化剂对消光作用影响最大,所以我们对 TDI 三聚体固化剂在同一配方中的使用量做了进一步试验。参考配方：TDI 三聚体固化剂+TDI 加成物固化剂,配方固含量为 50。不同 TDI三聚体固化剂加入量的光泽度如表 7。表 7 表明在同一主漆的情况下,随着 TDI 三聚体固化剂加入量的增加,光泽度明显下降。其中加入量为 1540对消光作用最明显,而且可以获得较好的物理性能,因此在这一范围的选择利于我们设计高消光效率的聚氨酯亚光清漆。表
12、7 不同 TDI 三聚体固化剂加入量的光泽度2.3.3 改性物质在聚氨酯亚光清漆中使用的改性物质有：硝酸纤维素(NC)、醋酸丁酸纤维素(CAB),主要是改善涂料的施工性能和物理性能,但同时对消光作用也有一定的影响。本试验是将两种改性物质按 2固体分添加到聚氨酯亚光清漆中,分别评价其光泽度。两种改性物质的光泽度如表 8。表 8 表明改性物质的加入可以提高消光作用。这主要是由于以上两种改性物质属于自干性的树脂,具有较高的 Tg(都在 50左右),对溶剂有良好的释放性,所以有利于消光。其中硝酸纤维素消光效果尤为明显,除了其对溶剂有好的释放性还跟它与苯类溶剂和固化剂的不相溶性有关。在涂料的成膜过程中,
13、随着溶剂的挥发,硝酸纤维素和固化剂的体积浓度不断提高,两者的不相溶性必然会迅速增加涂膜的黏度,从而增加了消光剂在表面的滞留,消光性自然提高了。因此,选用合适的改性物质不仅可以改善聚氨酯亚光清漆的施工性能和物理性能,同时也可以提高消光作用。表 8 聚氨酯亚光清漆中 3 种改性物质的光泽度2.3.4 溶剂在聚氨酯亚光清漆中常用的溶剂及参数如表 9。本试验按参考配方:二甲苯 50+乙酯 50、二甲苯 50+丁酯 50、二甲苯50+PMA50、二甲苯 50+环己酮 50、丁酯 50+甲苯 50、丁酯 50+三甲苯 50作为聚氨酯亚光清漆的稀释剂,在制备涂膜时加入并分别评价其对光泽度的影响。不同溶剂组合
14、后的光泽度如表10。表 9 各种溶剂的挥发速率及溶解力参数表 10 不同溶剂组合后的光泽度结合表 9 和表 10 可以看到：溶剂挥发速率越快越有利于消光；溶解力差的溶剂挥发速率慢于溶解力好的溶剂会使光泽度下降,相反则光泽度上升。这说明溶剂对消光作用的影响主要取决于溶剂的挥发性和其与固化剂的溶解力。留在涂膜中溶解力差的溶剂越多,涂膜的增稠越快,根据前面提及的原理,消光作用也就越强。在试验过程还发现有硝酸纤维素的体系其消光作用更容易受溶剂溶解力的影响,这更能说明以上现象。2.3.5 消光剂消光剂在聚氨酯亚光清漆配方中对消光的作用是最关键的因素,直接影响到涂膜的消光作用。目前常用的消光剂主要是二氧化
15、硅和有机蜡粉,其中二氧化硅对消光作用影响最明显,主要体现在颗粒的粒径大小、孔体积、蜡处理、加入量等。试验证明：在同等条件下二氧化硅的颗粒越大消光作用越好；孔体积越大消光作用越好；无蜡处理比蜡处理的消光作用好；加入量越多消光作用越好2。合理选用消光剂也是聚氨酯亚光清漆光泽稳定的组成部分。3 结论影响聚氨酯亚光清漆消光的因素是多方面的,在实际应用中经常存在光泽度的不稳定,只有综合考虑影响消光作用的各个因素,在使用过程中对稀释剂、涂布量、施工方式等作适当的调整才能避免光泽度的不稳定。对于聚氨酯亚光清漆配方的设计则要考虑各种材料对消光作用的影响,结合环境因素和施工因素的影响选择合适的材料,提高配方的光泽稳定性。
