作者：Laurie Morris，高级化学家；Alberdingk Boley公司；北罗卡莱纳州，Greensboro
水性（WB）UV化学品在木器漆市场上有显著增长，是由于该技术可带来优异的性能、环保，并能提高生产效率。UV涂料体系为终端用户提供了优异的耐化学性和耐划伤性、优异的防粘连性能、具有极低的挥发性有机化合物排、设备占地面积小，所需的存储空间也少。这些体系的性能优于双组分聚氨酯体系，且不存在复杂的交联问题和活化期问题。由于提高了生产速度，降低了能源成本，因而使得整个体系具有成本效益。这些优点也有利于一些工厂的外部应用，包括门窗框、壁板和其他木制品。细分市场通常使用丙烯酸乳液和聚氨酯乳液，因为它们具有优异的光泽度和保色性，并显示出优异的耐用性。在本研究中，聚氨酯丙烯酸树脂的UV功能已根据室内和室外的木器漆工业规范进行了评估。
木器漆常用的溶剂型涂料有三种。硝化纤维素漆通常是硝化纤维素和油或油基醇的低固体混合物。涂料干燥速度快，有很高的光泽度，通常用于家用家具。缺点是会随着时间产生黄变，易碎，耐化学性也较差。硝化纤维素漆的挥发性有机化合物含量很高，通常为500 g/L或更高。预催化漆是硝化纤维素、油或油基醇、增塑剂和脲醛的混合物。他们使用弱酸性催化剂，如磷酸丁酯。保质期约为四个月，常被用于办公室、机构和住宅的家具。预催化漆比硝化纤维素漆具有更好的耐化学性。他们也产生较高的挥发性有机化合物。转化清漆是油基醇类、脲醛和三聚氰胺的混合物。常使用如对甲苯磺酸这样的强酸催化剂，保质期为24到48小时，通常用于橱柜、办公家具和住宅家具。转化清漆是这三种典型的用于木器的溶剂型涂料中性能最好的一种，但也具有较高的挥发性有机化合物和甲醛排放量。
水性自交联丙烯酸乳液和聚氨酯（PUD）树脂是木器用溶剂型产品的最佳替代品。丙烯酸乳液具有很好的耐化学性和防粘连性、出色的硬度值，优异的耐用性和耐候性，并改善对非多孔表面的附着力。它们的干燥时间短，使橱柜、家具或建筑产品制造商使用后能更快处理零件。PUDs具有优异的耐磨性、柔韧性和抗划伤性。可与丙烯酸乳液混合使用，以提高漆膜的机械性能。丙烯酸乳液和PUDs均能与多异氰酸酯、多氮丙啶或碳二亚胺等交联化学物质发生反应，以改善2K涂料的性能。
水性UV固化涂料已成为木器应用的热门选择。厨柜和家具制造商之所以选择这些涂料，是因为它们具有优异的机械性能、应用性能和极低的溶剂排放。水性UV涂层在固化后，即拥有优异的防粘连性能，使得被涂覆的部件可以直接堆放、包装和运输到生产线下，无需浪费时间等待漆膜提高硬度。水性UV涂层的硬度发展很快，几秒钟内就会出现，它的耐化学性和耐沾污性要优于溶剂型转化清漆。
水性UV涂料具有许多固有的优点。虽然100%固含的UV低聚物的粘度通常很高，必须用活性稀释剂进行稀释，但水性UV PUDs的粘度很低，且可用传统的水性增稠剂来调节粘度。水性UV PUDs最初具有较高分子量，由于其固化效果不像100%固含的UV涂料一样显著，因此不会形成分子量。因为它们在固化时几乎没有收缩，所以水性UV PUDs对许多基材都有很好的附着力。使用常规的消光剂便可轻易调节这些涂料的光泽度，这些聚合物既具有硬度，也具有很好的柔韧性，使它们成为木器漆的理想选择。
水性UV聚氨酯分散体是在聚氨酯分散体主链上（图1）接上UV官能团，通过使一个多元醇和一个UV丙烯酸酯与过量的脂肪族异氰酸酯发生反应，生成预聚物。这些UV PUD可以是聚醚、聚酯和/或聚碳酸酯基，有大量具备不同主链和官能团的UV丙烯酸酯可供选择，UV功能材料的选择和数量会影响涂层的最终交联密度，也有许多涂装方法可供选择，它们也会影响聚合物的最终性能。
由于各种原因，我们可对水性UV PUD进行优化。可添加丙烯酸树脂以提高外部耐用性和降低成本，可添加表面活性剂以提高储存稳定性，可添加乳化的UV丙烯酸酯来调节干燥性能。由于不同类型的水性UV树脂具备不同的性能参数，因此我们可以结合各种技术来优化所需的性能。
我们研究比较了三种水性UV涂料与市售溶剂型转化漆、水性转化漆和水性预催化漆的性能。该项目计划开发高性能水性UV树脂，并研究其在木器应用中的性能。根据厨柜制造商协会（KCMA）、美国木工标准（AWS）和个别家具制造商的规范，对这些涂层进行测试。
本研究中使用的配方见表1。
UV涂层
在18X18彩色桦木胶合板上喷涂大约3密耳的湿膜厚度，自干10分钟，在50 ℃下强制干燥10分钟，以500 mJ/cm2用水银灯固化，再用3M超细海绵砂进行打磨。然后涂施第二层漆膜，湿膜厚度约为3密耳，自干10分钟，然后在50℃的温度下强制干燥10分钟。以500 mJ/cm2用水银灯固化。试验前应等待7天，试验方法中另有说明的除外。对于边缘浸泡实验，需在4“X4”实木橡木板的所有侧面进行涂料施涂并固化。
其他涂层
在18X18彩色桦木胶合板上喷涂大约3密耳的湿膜厚度，自干10分钟；在50 ℃下强制干燥30分钟。然后涂施第二层漆膜，湿膜厚度约为3密耳。自干10分钟，然后在50℃的温度下强制干燥30分钟。试验前应等待7天，试验方法中另有说明的除外。对于边缘浸泡实验，需在4“X4”实木橡木板的所有侧面进行涂料施涂。
本研究所用涂料的VOC含量见表2。
耐化学/耐沾污
在样板上涂上适当的化学品/污渍，以形成直径为0.25至0.5英寸的斑点，用表面玻璃盖住，16-20小时后，除去化学品/污渍并用水清洗样板表面。按0到5对每种化学品/污渍进行评级，0表示漆膜完全破坏，5表示漆膜未受影响（图2）。
刮杆附着力
从每个样板上切下一块4X4英寸的试样。使用BYK平衡刮杆附着力和划痕硬度试验仪，环形划针，配重为5000克。按0到5进行分级，0表示漆膜完全去除，5表示对漆膜不产生影响。
划痕硬度
从每个样板上切下一块4X4英寸的试样。使用BYK平衡刮杆附着力和划痕硬度试验仪进行笔芯压痕测试，5785号笔芯，配重为300克。1小时后对试样进行评估，并按通过/未通过进行等级划分。从24英寸的距离可以看到的任何压痕都被认为是未通过。图3显示了刮杆附着力和笔芯压痕试验的结果。
耐塑化剂
在样板上涂一块2英寸的红色乙烯基方块，每平方英寸施加1/2磅的力，再把样本放在50℃的烤箱里72小时，室温下冷却1小时后取下乙烯基方块。评估其是否产生软化和起泡现象。
耐印痕
样板固化后，等待1小时，然后在饰面上涂抹一块2英寸的10号棉鸭绒布，将2磅/平方英寸的力直接施加到鸭绒布上。等待24小时，然后取下棉布。进行印痕评估。
耐热印痕
样板固化后，等待14天后，然后在饰面上涂抹一块2英寸的10号棉鸭绒布，将1磅/平方英寸的力直接施加到鸭绒布上，再将样品置于60℃的烤箱中烘烤24小时。取下鸭绒布，让样板冷却一小时。进行印痕评估。图4显示了增塑剂、绿印和热印电阻测试的结果。
耐沸水
在样板上施加10毫升的沸水，然后在10毫升沸水上放一个装满开水的陶瓷咖啡杯，1小时后取出杯子，并用纸巾擦拭干净。等待24小时，对其白度进行评估（图5）。
耐热冷循环
从每个样板上切下一个4“X4”的试样。进行循环操作如下：将试样放置在50℃和70%湿度的湿度柜中1小时，取出放置30分钟，使其达到初始室温和湿度。然后，在-10℃的冰柜中放置1小时，拿出并使其达到初始室温和湿度。循环进行五次。
边缘浸泡
将人造海绵放入塑料容器中。将容器调平，并注入洗涤剂溶液（按水的重量加入1% Dawn®洗碗皂）至海绵顶部以下半英寸处。将样板放在海绵上，切面朝下，静置24小时。耐热冷循环和边缘浸泡试验的结果如图6所示。
讨论
所有的水性UV涂料都具有优异的耐化学性。水性转化清漆和溶剂型转化清漆具有很好的耐化学性。水性预催化漆的耐化学性完全可以满足KCMA标准。
水性UV 2、WB转化清漆和SB转化清漆具有最好的刮杆附着力。
所有涂层均具有优异的划痕硬度、耐塑化剂、耐印痕和热印痕、耐热冷循环和耐边缘浸透性。
所有的水性UV涂料都具有优异的耐沸水性能。
项目的第一阶段是确定最佳的UV技术，并与其他具有优异外部性能的树脂技术相结合，以用于木器，并研究了树脂共混物的硬度发展、防粘连性、耐水性、固化反应和抗QUV性能。用UV吸收剂和受阻胺光稳定剂（HALS）制备了涂料。所有涂层均采用两种不同的光引发剂组合进行测试，在800mJ/cm2下进行固化。用水银灯对仅含α-羟基酮光引发剂的涂层进行固化。用水银灯和含有镓灯对α-羟基酮和酰基氧膦两种光引发剂的涂层进行固化。表3和表4显示了所使用的UV树脂的类型，以及用于本研究的涂料配方。
硬度发展
我们在一块玻璃板上涂覆150微米的涂层，让它自干10分钟，然后在50℃的温度下干燥10分钟。在固化前、固化1小时和3天后测量柯尼格摆杆硬度（图7）。
固化反应
通过比较固化前后C=C键（810cm-1）和C=O键（1730cm-1）的傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）吸收峰值，测量固化反应。C=C键在紫外线照射下进行了反应；C=O键不产生反应。
在3B-H Leneta卡纸上进行3密耳的涂层涂覆，使其自干10分钟，然后在50℃下强制干燥10分钟。使用FTIR，我们测量并记录了810cm-1和1730cm-1波数下的IR吸光度。涂层进行固化，然后重新测量并记录810 cm-1和1730 cm-1波数下的IR吸光度，并计算固化百分比（图8）：
UV固化基团的相对浓度（%）=
1
耐QUV
在白色瓷砖上涂覆4密耳的湿膜厚度，自干10分钟，然后在50℃下强制干燥10分钟，固化，七天后进行抗老化测试。用BYK Gardner积分球色差仪记录了每块瓷砖的CIELab的颜色数据，用BYK Gardner微-TRI光泽仪测定每块瓷砖的60°光泽。瓷砖被放置在装有340 UVA灯泡的QUV柜中，设定为4小时的紫外线照射，然后冷凝4小时。循环运行4000小时后，我们得到了颜色的变化值（delta E）和光泽损失，如图9和10所示。
讨论
所有样板在暴露4000小时后，均显示出良好的耐老化结果，光泽度和颜色变化较小。酰基氧膦光引发剂的加入对涂层性能未产生影响。在第2阶段的测试中，只使用了α-羟基酮光引发剂。由于制作困难，研究中排除了UV 3，而UV 4、UV 5和UV 6由于固化反应和硬度较低，也被排除在研究之外。UV 1、UV 2和UV 7进入第2阶段的测试。
在第2阶段，根据美国建筑制造商协会AAMA 653-14《木材和纤维复合基材上有机涂层的自愿性能要求和试验规定》中概述的标准来评估涂层。该规定涵盖了工厂应用于外部环境的涂料标准。2在杨木基材上重复进行了耐QUV实验，采用消泡剂、表面张力改性剂、乳化蜡和增稠剂等对涂料进行了制备，涂料的固体重量由水控制。配方见表5。
样板制备
除非在AAMA 653-14标准中另有规定，否则所有样板的制备方法如下：
1. 在一块4 X 6英寸未染色的南黄松板上喷涂约4密耳的湿膜涂层。
2. 自干10分钟。
3. 在50℃的温度下强制干燥10分钟。
4. 以800 mJ/cm2用水银灯进行固化。
5. 用3M超细砂纸打磨。
6. 重复步骤1-4。
结果
所有性能的评级按0-5划分，0表示漆膜完全破坏，5表示对漆膜无影响（图11）。我们进行了15次湿度试验箱/冷冻室循环试验，所有涂层均通过实验，无开裂或其他损伤。图12和13显示了涂层的颜色和光泽保持度。
讨论
所有涂层均通过了AAMA 653-14测试，光泽保持度也都很好。
参考涂层在QUV颜色保持方面的表现不佳。这些产品通常用于染色或着色底漆的面漆，色漆/底漆为木材提供了UV防护。这项研究检测了一种颜色非常浅的木材表面的透明自封闭面漆，被测样品均具有良好的QUV保色性。
由水性UV树脂制成的涂料是木器应用的理想选择，它们具有很好的耐化学性和机械性能，极低的VOCs，低毒性，是溶剂型涂料产品可行的替代选择。
本文收录于欧易官网链接：PCI中文版2020年5月刊
