水性UV聚氨酯面漆具有更好的耐性
水性UV 聚氨酯面漆具有更好的耐性。
■ Laurie Morris, Alberdingk Boley， 美國
在工廠涂裝的外用木器面漆通常使用丙烯酸乳液或聚氨酯分散體。 經評估， UV固化聚氨酯分散體可作為替代品， 其最大的優點是兼具所要求的柔韌性與高表面硬度。 在QUV試驗中， 其對木材的保色性比市售對照清漆更佳。
水性 為其性能優異 UV固化技術在工業內用木器市場上呈現顯著的增長 、 溶劑排放低、 生產效率高。 同樣， 這些優點 ， 因對于在工廠涂裝的外用木器也非常有益， 包括門窗框架、 木護板及其他在工廠涂裝的工件。
一般來說， 這些細分市場使用丙烯酸乳液或聚氨酯分散體，因為它們具有優異的光澤， 和對木材的保色性及優異的耐久性。本研究中， 根據該市場的工業規范要求對含有UV固化官能團的聚酯氨-丙烯酸樹脂進行了評估。
結果一覽
→通常， 在工廠涂裝的外用木器面漆使用丙烯酸乳液或聚氨酯分散體。 兩者均具有良好的光澤、 保色性及耐久性， 但采用丙烯酸乳液， 柔韌性與硬度之間很難達到很好的平衡。
→UV固化涂料優勢明顯， 硬度高， VOC含量低， 同時又不會像雙組分聚氨酯涂料體系那樣需要采用有害的交聯劑。
→UV固化聚氨酯分散體能使外用木器涂料具有良好的柔韌性，同時硬度又高， 光澤很容易控制。
→本研究評估了幾種用作外用木器清漆的UV固化聚氨酯分散體。 最佳的產品兼有所需柔韌性和高硬度。 初步的QUV試驗表明： 此類清漆比市售單組分和雙組分對照清漆具有更好的木材保色性。
UV固化涂料的優點與選擇
UV涂料為終端用戶提供優異的耐化學性和耐劃傷性、 抗粘連性和低VOC含量， 同時所需涂裝設備小， 減少了存儲空間。 性能優于雙組分聚氨酯體系， 同時不需使用有害的交聯劑， 也不必擔心適用期問題。 由于可以提高生產效率， 并能降低能耗， 該體系更具成本優勢[1]。
水性UV涂料具有許多內在的優點。 通常100%固體分的UV低聚物黏度很高， 必須采用活性稀釋劑稀釋。 但是水性UV聚氨酯分散體黏度低， 只需使用傳統的水性流變劑調整黏度。
水性UV聚氨酯分散體的初始分子量較高， 但它不會像100%固體分的UV涂料那樣在固化期間分子量會有大幅增加。 水性UV聚氨酯分散體在多種基材表面都具有優異的附著力。 這部分歸因于它們在固化期間收縮極小， 甚至沒有收縮。
水性UV聚氨酯分散體涂料的光澤很容易采用傳統消光劑進行控制。 該類聚合物可達到很高的硬度， 同時兼具極佳的柔韌性，是外用木器涂料的理想選擇。
水性UV聚氨酯的化學特性
水性UV聚氨酯分散體是在聚氨酯分散體主鏈上接上UV官能團。 通過使一個多元醇和一個UV丙烯酸酯與過量的脂肪族異氰酸酯發生反應， 生成預聚物( 見圖1)。
圖1 水性UV聚氨酯分散體的化學結構示意圖
二羥甲基丙酸是一種陰離子穩定劑， 可用來將官能團植入到聚氨酯分散體聚合物主鏈中， 胺起到中和作用。 然后， 預聚物在水中分散， 并進行擴鏈反應以提高分子量。
這些UV 聚氨酯分散體可以用聚醚、 聚酯和/或聚碳酸酯來制備。 UV 丙烯酸酯可選的種類很多， 且具有不同的主鏈和官能團。所選用的UV官能團材料的品種和數量會影響涂料的最終交聯密度。 還有一些涂裝方法也會影響最終聚合物性能。
對水性UV聚氨酯分散體進行改性的原因多種多樣。 加入丙烯酸分散體可提高戶外耐久性并降低成本。 加入表面活性劑可提高貯存穩定性。 加入乳化UV丙烯酸酯可調整干燥性能。 因為不同類型的水性 UV樹脂具有不同的性能參數， 可以將各種技術進行組合， 實現性能優化。
水性UV涂料與100%固體分的UV涂料不同， 它是穩定的膠體顆粒分散體， 必須在UV固化前聚結形成連續的涂膜。 該成膜過程包含了幾個階段， 開始是水的蒸發。 圖2 中詳細展示了該過程的細節。
圖2 UV聚氨酯分散體初始干燥中的幾個階段( UV固化之前)
傳統外用木器涂料的局限性
環保型戶外用木器涂料一般由水性丙烯酸分散體和聚氨酯分散體制備而成。
可以采用單組分和雙組分聚氨酯涂料， 雙組分聚氨酯涂料性能更佳。
水性丙烯酸分散體具有優異的UV穩定性和良好的耐候性， 然而柔韌性欠缺[2]。 柔韌性對于外用木器涂料至關重要， 因為木材是一種尺寸不穩定的基材。
可以通過降低丙烯酸分散體的玻璃化轉變溫度來提高柔韌性， 但這又會降低抗粘連性[2]、 耐劃傷性、 耐擦傷性和耐沾污性。通過聚氨酯分散體對丙烯酸分散體進行改性可提高柔韌性， 同時還能改善耐劃傷性和耐擦傷性。
混合UV 樹脂的最初評價
在本項目的第一階段， 要確定最佳UV技術， 以及其他幾種具有優異戶外性能的工業外用木器涂料的樹脂技術。 評價了該摻混樹脂的硬度增長、 抗粘連性、 耐水性、 固化反應和QUV老化性能。 試驗樹脂見表1。 涂料由UV 吸收劑和受阻胺光穩定劑( HALS) 制備而成。 所有涂料采用兩種不同的光引發劑組合進行試驗， 配方及試驗結果見表2。
表1 各種測試樹脂的說明
在本試驗階段， 所有的涂料都以800 mJ/cm2的功率進行UV固化。 對只含有一種α-羥基酮光引發劑的涂料采用汞燈進行固化。對含有α-羥基酮和酰基氧化膦光引發劑的涂料同時采用汞燈和鎵燈進行固化。
物理測試方法總結
在玻璃板上刮涂150 µm厚度的涂膜， 進行硬度增長測試。 室溫干燥10 min后， 在50 °C下進行10 min的強制干燥。 分別測量固化前、 固化1 h后、 固化3天后的Koenig擺桿硬度。 使用3 mil (75 µm)的實心棒涂布器在“3B-H” Leneta卡紙上刮涂涂層， 在UV固化前按上述的干燥方法干燥， 然后進行抗粘連性測試。
沿著與刮涂方向垂直的方向， 切取兩條1″ x 4.25″( 約2.5 cm x11 cm) 測試條。 相對放置， 即涂層面互相接觸， 在頂部放置一個1 000 g的重物。 將放在玻璃板上的兩塊試樣在50 °C烘箱內烘烤 1 h。 取出樣品后， 對其抗粘連性進行評估， 分0-10級： 0級表示樣品100%完全粘連; 10級表示在輕輕或不費力搖晃的情況下， 兩塊試樣會相互脫落。
耐水性測試也采用了相同的刮涂方法和固化條件。 24 h后，將裝滿水的一個小玻璃瓶翻轉置于卡紙的黑色表面。
24 h后， 將水除去， 并擦干表面。 通過肉眼觀察發白和起泡情況， 然后評定等級， 分0～5級： 0級表示涂膜完全損壞， 5級表示無影響。
如何評價固化程度
通過比較固化前和固化后C＝C 鍵( 810 cm-1) 和C＝O 鍵( 1730 cm-1) 的FTIR吸收率峰值， 對固化程度進行評估。 C＝C 鍵在 UV輻照下會發生反應; 而C＝O 鍵不會發生反應[3]。
使用實心棒涂布器， 在“3B-H” Leneta卡紙上涂覆濕膜厚度為75 µm的涂層。 室溫干燥10 min后， 再在50 °C下進行10 min的強制干燥。 利用FTIR， 測量和記錄在波長810 cm-1和1 730 cm-1處的紅外吸收值。 然后將遮蓋力卡紙進行固化， 固化后再在810 cm-1和1 730 cm-1處測量和記錄紅外吸收值。 然后計算固化程度：
UV固化基團的相對濃度( %) 通過以下公式計算：
公式中， [A]°810是UV輻射前在810 cm-1處的紅外吸收值， [A]° 1 730 是UV輻射前在1 730 cm-1處的紅外吸收值， [A]uv 810是UV輻射后在810 cm-1處的紅外吸收值， [A]UV 1 730是UV輻射后在1 730 cm-1處的紅外吸收值。
人工老化試驗方法
在白色的瓷磚上刮涂100 µm厚的濕涂層。 室溫干燥10 min 后， 在50 °C下進行10 min的強制干燥。 7 d后進行測試。 使用 BYK Gardner色差儀， 測定每塊瓷磚的CIELab顏色數據。 使用BYK Gardner光澤儀測定每塊瓷磚的60°光澤。
將瓷磚放置在配有340 UVA型燈的QUV試驗箱中， 在試驗箱中 UV光照4 h后， 進行4 h凝露試驗。 循環4 000 h后， 測定顏色變化( ΔE) 和失光程度。
初始評估結果匯總
>所有樣本的抗粘連性和耐水性都很優異。 然而， 如表2所示， Koenig硬度和固化程度方面呈現顯著的差異。
>在曝露4 000 h后， 所有樣本的QUV檢測結果都十分優異。 失光和變色極低( 見圖3和圖4)。
>添加酰基氧化膦光引發劑并未明顯影響涂料性能(見表 2)。 因此， 在稍后的試驗中單獨使用α-羥基酮光引發劑。
>由于生產中的難度問題， 淘汰了研究中的UV 3; 由于固化程度和硬度都太低， 淘汰了UV 4、 UV 5和UV 6。
>在第二階段測試中， 涵蓋了UV 1、 UV 2和UV 7的檢測。
圖3 在白色瓷磚基材上進行初始配方的QUV試驗， 檢測其保光性
圖4 在白瓷磚基材上初始配方QUV試驗后的顏色變化
表2 配方匯總; 每一對配方僅在有無添加第二種光引發劑( PI) 上有差異
按照行業標準進行第二階段的各項測試
在第二階段， 根據美國建筑制造商協會AAMA 653-14技術規范： 按照木材和纖維素復合基材的有機涂料的自律性的性能要求和測試步驟， 對涂料進行評估。
此技術規范適用于工廠涂裝的外用涂料[4]。 在楊木基材上，重復進行QUV人工老化測試。 涂料使用傳統的消泡劑、 表面張力改性劑、 蠟乳液和流變劑配制而成。 用水調控涂料中的固體質量分數。 詳見表3。
表3 第二階段用配方
測試板制備和測試方法匯總
>除非在AAMA 653-14中另有說明， 所有測試樣板都按以下方法制備：
>在10 cmx 15 cm未染色的南方黃松測試板上， 噴涂濕膜約100 µm厚的涂層。
>室溫下干燥10 min。
>在50 °C下強制干燥10 min。
>使用汞燈以800 mJ/cm2的功率進行UV固化。
>使用3M超細打磨海綿進行打磨。
>除了最后的打磨處理外， 重復以上所有步驟。
>除非在AAMA 653-14技術規范中另有說明， 所有測試板的切邊
均要用100%固體分雙組分聚氨酯封閉膠進行封閉。 樣板的每個側邊都需進行涂覆。 在測試之前， 所有樣板都要經過7 d的調制處理。
進行濕附著力、 干附著力、 抗沖擊性和四種環境抗性測試( 鹽酸、 砂漿、 洗滌劑和濕度)。 對所有性能進行等級評定( 范圍： 0～5級)， 其中0級表示涂膜遭到完全破壞， 5級代表涂膜完好無損。 3種涂料都達到5級。
3種涂料均通過15個周期的濕度箱/冷凍箱循環試驗。
除了基材是2x4 英寸( 5 cmx10 cm) 的楊木板以外， 其余的 QUV測試板都按AAMA測試板的方法制備。 QUV循環試驗按第一階段中規定的進行。 采用市售單組分和雙組分試樣以及一塊無涂層測試板作參照對比樣。
初步測試結果良好
3個試驗樣本均通過了AAMA653-14中規定的測試。 這表明這些涂料在外用環境中性能優異。
冷開裂循環試驗和濕度試驗是木材和木器涂料的極端測試環境。 木材在高濕度環境下會膨脹， 在低濕度環境下會收縮， 這種不穩定性給涂料帶來極大影響。 當曝露于這種嚴苛環境中時， 柔韌性低， 不能適應底材漲縮的涂料會出現發白或開裂。
在白色瓷磚基材上完成第一階段QUV試驗， 以確定涂料的泛黃性和保光性。 在未染色楊木基材上完成第二階段QUV測試， 以確定涂層防護木質基材不降解的性能。
涂覆有水性 UV產品的木板的變色比市售參照樣要小得多，但是所有的測試板在經過了4 000 h 的QUV曝露后都呈現明顯的變色。 在工業外用木器涂料施工中， 一般是先用著色劑或不透明的底色漆進行涂覆。 配方Q在本研究中表現出最佳的性能， 有望在戶外曝露時能在著色劑上面起到良好的效果。 在外用木器涂料的施工中， 不推薦不使用著色劑或底漆而直接使用清漆的方法。
戶外曝露測試正在進行， 以驗證其優良的性能
水性UV涂料已經成為室內用工業木器涂料的行業標準。 這些涂料硬度高、 柔韌性好， 耐化學性優異， 使得它們成為外用工業木器涂料的最佳備選產品。
試驗的涂料顯示了優良的耐濕性以及耐冷開裂性。 當曝露于 UVA輻射下時， 表現出優異的保光性和耐黃變性。 這種技術有助于提高生產效率， 并符合VOC法規。 今后， 按照AAMA653-14技術規范， 會將工作重點放在南佛羅里達州、 亞利桑那州和北卡羅來納州的戶外暴露試驗上面。
圖5 QUV試驗4 000 h后初始失光的評估( 第二階段， 在楊木板上測試的涂料)
圖6 QUV試驗4 000 h后初始變色的評估( 第二階段， 在楊木板上測試的涂料)
參考文獻
[1] Laurie M., Gaynor K., Performance capability of waterborne UV curable emulsions for wood substrates, Coatings Tech, Sept. 2007.
[2] Lippemeier J., Sommer S., Nennemann A., Water-borne UV coatingsfor exterior wood application, RadTech Europe Conference Proceedings 2009.
[3] Park Y.-J et al, Jnl. Adhes. Sci. Tech., 2008, Vol. 22, pp1401–1423. [4] www.aamanet.org
“因為它們可以在幾秒內固化， 這就為廠商縮短了生產時間。”
Laurie Morris
Alberdingk Boley公司
高級化學家
lmorris@alberdingkusa.com
向Laurie Morris提出3個問題
最新開發的水性UV固化聚氨酯分散體木器面漆最主要的優點是什么?
水性UV固化聚氨酯分散體具有優異的保光性、 硬度和柔韌性。 由于收縮率低， 附著力特別優異。 因為可在幾秒內就固化， 使得生產廠商可縮短生產時間， 在固化后產品可以立刻包裝和運輸。
為什么水性UV固化聚氨酯分散體在固化時收縮率低或幾乎不收縮?
水性UV固化聚氨酯分散體的初始分子量高， 當用單體和低聚物制成的涂料固化成 100%固體分的UV涂料時， 分子量不會大幅提高。
可以使用LED燈固化這些體系嗎?
因為LED燈發出的輻射范圍是UV A， 315～400 nm， 可以實現良好的內部固化， 但表面固化不足。 為實現良好的表面固化， 需要UV C范圍( 200～280 nm) 的輻射。 能夠發生 UV C范圍內輻射的LED燈正在開發中， 尚未面市。
