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新型水性木器漆用有机硅表面活性剂

新型水性木器漆用有机硅表面活性剂

时 间: 2020-08-10

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摘 要:——快速应用、卓越性能 作者:MichaelToth,NAFTA木器&am…

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作者:Michael Toth,NAFTA木器&家具涂料终端应用经理, BYK美国公司;Marcus Wessel, 木器&家具涂料终端应用专家,BYK;Marcel Krohnen,全球木器&家具涂料终端应用负责人,BYK

 

水性涂料体系不仅在减少挥发性有机化合物的DIY涂料应用中发挥着关键作用,而且作为传统溶剂型涂料体系的替代品,在工业涂料生产中也变得越来越重要。就工业木器漆的应用而言,目前,估计在北美生产的涂料中约有40%是由水性涂料体系构成,且这一比例还在显著上涨中。除了物理干燥的单组分体系外,双水组分聚氨酯体系和辐射固化体系的使用也在增加。水性木器漆体系的配方似乎非常具有挑战性,因为木材作为一种天然的、多孔的和可吸收的基材,赋予了配方设计师相当高的要求,尤其是在基材润湿和流平等方面。水性木器漆体系应用的不同,如在建筑产品、家具和硬木地板行业等,导致了应用方法(如喷涂、辊涂、真空或帘幕涂装)也非常不同。此外,这些高剪切应用体系可能会挑战水性涂料体系中的泡沫稳定性。由于水的高极性和表面张力,必须使用特殊的表面添加剂,即所谓的有机硅表面活性剂,以确保木材表面被水性涂料充分润湿。传统的有机硅表面活性剂的特点是,在一定程度上可以大幅度降低静态表面张力,从而产生高效的基材润湿性。然而,它们在改善流平性方面有限,有时在涂料的生产和应用过程中有稳泡现象。本文介绍了一种新型的有机硅表面活性剂,它能提供足够好的基材润湿性,又显著地改善了流平性能,且只产生很小的稳泡趋势。

 

 

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目前用于水性涂料的有机硅表面活性剂是“有机改性聚硅氧烷”,由短的疏水性硅氧烷主链和亲水性基团改性而成。在大多数情况下,改性涉及到聚醚链(图1),会改善相容性。相容性的程度可由这些侧链的数目(即二甲基硅氧烷单元与聚醚改性的比率)控制。同时,这也影响表面张力:一般来说,二甲基硅氧烷(SiO(CH3)2)单元越多,表面张力越低。

 

此外,聚醚链本身的结构也可以改变;这里的关键因素是极性。聚醚由环氧乙烷单元(EO)和/或环氧丙烷单元(PO)组成。环氧乙烷是非常亲水的(极性),而环氧丙烷相比之下,是相当疏水的(非极性)。

 

标准有机硅表面活性剂分子链上悬挂聚醚基团,仅含有用于获得良好水溶性的环氧乙烷单元。相比之下,新的有机硅表面活性剂进行了改性,使其具有更多的两亲性聚醚链。除了EO单元外,还使用了PO单元。它们在聚醚链中的可调比例和排列方式使性能范围得到了提高,整个有机硅添加剂的极性可以通过调节EO/PO的比例来控制。环氧乙烷的比例越大,极性越强,添加剂在极性涂料体系中的水溶性和相容性也就越强。但与此同时,稳泡性的趋势也在增加。另一方面,较大比例的环氧丙烷则降低了水溶性和稳泡趋势。与标准的有机硅表面活性剂不同,这些新型有机硅表面活性剂的特征在于,它们不仅在涂层/基材界面(=基材润湿性提高)而且在涂层/空气界面(=对涂层流平性的积极影响)上都具有定向性。由于对它们的控制,降低了体系的兼容性,但它们在涂料生产和应用中稳定泡沫的趋势也显著降低了。

 

 

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作为应用技术研究的一部分,我们将表1中列出的有机硅表面活性剂A1、A2、B1和B2进行了比较。为此,我们将这四种表面助剂以不同的添加量,添加到各种具有代表性的水性木器涂料体系中,测试它们对静态表面张力、涂料流平性的改善,以及对涂料中稳泡趋势的影响。

 

 

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在应用技术研究的第一步中,我们对这四种不同的有机硅表面活性剂在不同的水性木器漆体系中的静态表面张力进行了测试。将要比较的产品以三种不同的剂量(基于总配方的0.1%、0.3%和0.5%)添加到不同的涂料体系中,并用Du Noüy环法确定它们对静态表面张力的影响。

 

图2、图3和图4说明,无论测试的水性木器漆体系如何,标准有机硅表面活性剂A1和A2导致的静态表面张力的降低,部分要比两种新的有机硅表面活性剂B1和B2强得多。乍一看,标准有机硅表面活性剂似乎有明显的技术优势。然而,如果我们考虑到传统木器基材如山毛榉(59mN/m)、橡树(49mN/m)、松树(46mN/m)、花旗松(39mN/m)甚至柚木(30mN/m)的表面能通常大于30mN/m,那么这两种被测试的新型有机硅表面活性剂则提供了正确的静态表面张力降低程度,使得基材可以被充分润湿,同时避免不希望出现的副作用,如流平或稳泡问题。两种被测试的新型有机硅表面活性剂除了能精确地降低静态表面张力外,还能非常有效地降低动态表面张力,这一点比传统有机硅表面活性剂要明显得多。因此,有机硅表面活性剂B1和B2有助于显著提高漆膜表面的平整度和产生最小的泡沫稳定趋势,在例如辊涂或喷涂等要求高速涂施的过程中尤其明显。

 

 

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与不希望出现的流平问题形成鲜明对比的是,新型硅表面活性剂实际上有助于改善涂层表面的流平性。图5记录了不同有机硅表面活性剂,对基于水性纯丙烯酸树脂的物理干燥木器漆流平性的影响。将有机硅表面活性剂A1、A2、B1和B2(在每种情况下)以0.3%的剂量(基于总配方)添加到实验的涂料体系中。然后用细孔Moltoprene辊筒将它们涂施在用于比较的样板上。物理干燥后,根据平整度目测评估。当使用有机硅表面活性剂A1和A2以及有机硅表面活性剂B1和B2时,涂层表面的反射光源显示,其对涂层的流平性有很大的影响。

 

 

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根据不同的有机硅表面活性剂稳泡趋势,我们看到一些水性木器漆体系产生了相当大的差异性,图6非常清楚地说明了这一点。我们将有机硅表面活性剂A1、A2、B1和B2(在每种情况下)以0.3%的添加量,加入基于聚氨酯树脂的水性辐射固化木器漆中,然后用细孔Moltoprene辊筒将它们涂施在用于比较的样板上,在物理干燥和辐射固化干燥后,根据其稳泡趋势目测评估。四组样品的图片对比表明,新型有机硅表面活性剂B1和B2的稳泡倾向明显低于标准有机硅表面活性剂A1和A2。

 

 

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新型有机硅表面活性剂B1和B2是一种特制的水性工业木器漆添加剂,通过在水性木器漆中,调节表面活性和降低相容性之间,取得精细平衡,来得到一个最佳的性能范围,包括充分降低静态表面张力、显著降低动态表面张力,并在涂料生产和应用过程中,仅产生最小的稳泡趋势。新型有机硅表面活性剂是物理干燥单组分体系、双组分聚氨酯体系和辐射固化体系的理想选择。在众多的应用技术试验中可知,它与标准的有机硅表面活性剂相比,拥有更高的效率。

 

 

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• 与标准的有机硅表面活性剂相比,用于水性工业木器漆体系的新型有机硅表面活性剂展示了各种技术优势。

• 它们明显降低了静态表面张力,使水性涂料体系可在广泛的木器基材上有效地润湿基材。

• 此外,新型有机硅表面活性剂有助于显著改善流平性能,且在涂料生产和应用中产生不稳泡性。

• 由于其定制的体系兼容性,新型有机硅表面活性剂适用于水性单组分体系、水性双组分聚氨酯体系和辐射固化涂料体系。

 

 

致谢

 

作者要感谢Margret Gilsbach和Carsten Erkens进行了应用测试,并证实技术结果,也要感谢Guillaume Jaunky博士对本文进行了有价值的讨论和修改。

 

 

 

 

本文收录于otc交易平台:PCI中文版2020年5月刊

 

 

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