您现在的位置:首页 >> 林业机械

应用于溶剂型涂料的新一代液态聚合物

2021-08-18 来源:张家界农业机械网

应用于溶剂型涂料的新一代液态聚合物

回溯整个涂料历史,大多数涂料是以溶剂为基础的,但随着人们对挥发性有机化合物(VOCs)的减排越来越重视,该类涂料正承受着巨大的压力。如果在应用上仍然要求达到溶剂型涂料的性能,那么降低VOCs含量,同时保持关键的应用性能,如粘度,已经变得越来越重要。

当下涂料配方师面临的重大挑战是尽量减少溶剂使用,同时以最低的成本研发出完美无缺、令人接受的涂膜中国涂料在线coatingol.com。常见方法是增加涂料的固含量,但其结果通常是产品粘度增加,进而导致涂料在施工过程中出现困难。

尽管其他聚合物涂料的使用越来越多,但醇酸树脂面漆仍然是全球销量最高的涂料之一。醇酸树脂体系之所以成功,是因为它们的成本相对较低,用途广泛,并且被最终用户熟悉。它们可以通过原材料和/或改性剂种类的选择和比例来满足不同终端用户的使用要求。生产商一直在开发新的和改进后的体系来适应高固含配方,以满足日益严峻的空气污染法规。

还可以采用多种替代方法来调整涂料配方,以降低粘度,从而减少所需溶剂,使涂料达到所需的施工粘度范围。液态聚丁二烯(LPBDs)是一种高活性的液态烃类聚合物,可适用于无溶剂或低溶剂的涂料配方。这类聚合物在许多方面与天然干性油相似,但由于它们的不饱和程度高,某些规格的固化速度比许多天然油性聚合物更快,此外,可以通过添加金属催干剂来加速固化。与天然油类相比,液态聚丁二烯涂层通常颜色更浅,更坚硬,更耐化学腐蚀。他们已经证明特别适合应用于底漆,在钢材上具有优异的附着力和耐腐蚀性。

目前,对液态聚丁二烯在溶剂型涂料中的潜在性能已经开展进一步研究。在这项研究中,我们关注了新开发的液态聚丁二烯(LPBd-B)在溶剂型醇酸涂料中与其他市售的液态聚丁二烯相比所带来的好处。新型液态聚丁二烯(LPBd-B)相比较于工业产品LPBD-A,其相对分子量更低,1,2-乙烯基含量更高。

研究结果展示出了新一代液体聚合丁二烯(LPBd-B)在醇酸树脂体系中具备更好的兼容性,从而赋予更大的潜力进行配方调整,甚至更接近无溶剂体系。我们的研究还表明,在降低涂料粘度的同时提高涂层性能是可能的。

液态聚丁二烯聚合物与醇酸树脂的相容性

目前,对三种常用的长油度醇酸树脂进行了评估:一种是100%固含量的亚麻油基的醇酸树脂,另外两种是70%固含量溶于石油溶剂(一种是亚麻油基,一种是大豆油基)的醇酸树脂。以特定比例制备的共混物,在2000转/分的高速分散机上分散5 分钟,然后将共混物转移到玻璃容器中,以评估储存稳定性。其中一批留在室温下观察,另一批样品在40°C的烘箱中放置24小时。分别对液态聚丁二烯在醇酸树脂体系中的相容性进行评价,并在24小时以及7天后进行目测观察。实验发现,三种醇酸树脂与两种LPBD产品均具有良好的相容性。

接下来主要集中对溶剂型醇酸树脂1(100%固含的长油度亚麻油基)进行研究,并对其与不同液态聚丁二烯的相容性进行了深入探讨。根据筛选法测试结果,可以确定醇酸树脂1中液态聚丁二烯所能添加的最大量。同时具体的评估方法是,将每种混合物都刷在铝箔纸上,以突显出任何潜在的漆膜缺陷。

实验结果显示,新一代液态聚丁二烯(LPBd-B)优于LPBD-A,在醇酸树脂1中相容性更好。新一代液态聚丁二烯(LPBd-B)在树脂中添加量会更高,且不会产生涂层的外观问题(图1)。此外,刷涂在铝箔纸上测试时湿膜或干膜状态下漆膜也都不存在缺陷。

在流变仪上测定了混合物流变特性(图2)。醇酸树脂1的粘度随温度的升高而降低。无论添加液态聚丁二烯(LPBd-A),新一代液态聚丁二烯(LPBd-B)或溶剂(即石油溶剂)时,均出现类似的现象。实验显示,含有20份溶剂的共混物对醇酸树脂的稀释效果最好。

在透明体系中的应用性能

将醇酸树脂1制成透明涂料,以便评估该涂料的应用性能;其中LPBd-A和LPBd-B分别按照不同比例添加。我们分别对干燥时间、流变性和硬度进行评估。通过测试评估,收集透明清漆对基材的渗透性能,以及进一步研究100%固含、更低VOC含量体系的信息。

干燥时间

下表包含的一系列配方用来评估液态聚丁二烯对干燥时间的影响(表1)。醇酸树脂1部分地被LPBD A或LPBD-B所取代。在室温下,通过添加稀释剂来调节,达到相同的粘度。

每种配方涂料均在玻璃板上涂布75um的湿膜。用线性干燥时间记录仪同时评估干燥时间。漆膜开放时间和完全固化时间则通过视觉评估和干膜表面划痕来确定(表2)。

LPBd-B的加入使开放时间略有延长,而LPBd-A与仅含醇酸树脂1的对比样相比,没有明显影响。

与对比样配方相比,LPBd-A或LPBd-B低添加量的配方,其实干时间略有提高。而高添加量的LPBd-B配方则有明显的差异,其实干时间更短。

硬度

通过一系列用LPBds取代部分醇酸树脂和部分稀释剂的配方来评估硬度。粘度未进行调整,强调LPBd的潜在优势。

用铅笔硬度法测定了涂层的硬度。用漆膜制备器将100um湿膜(WFT)涂布于玻璃板上。漆膜养护7天和14天后进行测试(表3)。

在透明涂层中添加LPBd-A对铅笔硬度没有任何提升。与对比样(醇酸树脂1中无其它添加剂)相比,实验样涂层硬度相似或较低。然而,醇酸树脂1中加入低含量的LPBd-B即可使涂层铅笔硬度增加。但添加量继续增大后,硬度却并未出现明显提升。我们发现,液态聚丁二烯的添加量越高,透明涂层的铅笔硬度则会轻微降低。

基材性能评估

选用橡木板基材来评估涂料的渗透性。对一系列共混物进行测试,目的是突出液态聚丁二烯可能带来的潜在优势。

每种混合物都被转移到一个玻璃容器里。橡木板首先在涂料溶液中浸泡15分钟,然后取出并去除多余的涂料。将每个橡木板都在室温下养护一段时间,而后再从距板材底部1.5厘米或3.5厘米处截取横截面。对样板进行打磨,然后用数码显微镜对每一横截面进行检查,并对样板表面和端粒迁移进行评估(图3)。

根据1.5cm深度处的横截面数字显微镜观察结果发现,在对比样的共混物中,主要是基材表面的渗透。在透明涂料中加入5份的LPBd-A可以更好地使涂料覆盖整个木板,而且可以明显观察到完整的端粒迁移。有一些证据表明,与对比样相比,通过添加5份LPBd-B,端粒迁移情况有了进一步的改善。要实现全面覆盖,那么LPBd-B需要增加至20份。

在3.5cm深度处进行进一步的横截面分析,以便更加深入地研究共混物涂料在木材中的渗透情况。在对比样的样板中,观察到在一定区域内的渗透和一些端粒迁移。当LPBd-A的添加量为5份时,基材的渗透性和混合对比样基本相同,但并未观察到任何的端粒迁移。LPBd-B虽然在添加5份时降低了对木材的渗透性,但与对比样相比,其端粒迁移也是相似的。结果表明,端粒顺着样板出现迁移现象。然而,当添加量为20份时,LPBd-B与对比样相比,木材的渗透性更好,且端粒迁移现象也更加明显(图4)。

减少溶剂型涂料中VOC的其中一种方法是增加固含量,因此开发出一系列用LPBd-A,LPBd-B或醇酸树脂1代替稀释剂的配方。由此,涂料配方向着更高的固体含量方向转变,并允许对100%固含量体系进行评估。

金属催干剂和防结皮剂的含量会根据树脂总重量%w/w进行调整和计算。每种配方都会用涂布器在玻璃板上制作50μm和100μm厚度的湿膜。然后将漆膜置于室温下干燥24小时,观察实验结果。

为了比较不同的体系,同时评估固含量为65%的对比配方,该配方在玻璃上(50μm和100μm湿膜厚度)具有良好的成膜性能。通过添加醇酸树脂1可以增加总固含量,且漆膜在50μm(较低湿膜厚度)下具有较好的成膜性,但在100μm厚度时就会观察到漆膜起皱的缺陷。皱纹效果很可能是由于漆膜表干过快。调整配方中的金属催干剂含量应可消除这种涂膜缺陷。

引入LPBd-A可以增加透明涂料体系的总固含量,但在上述两种厚度下都会有漆膜缺陷。该结果证实了最开始的兼容性研究结果,即在高添加量情况下,LPBd-A不能均匀混合。但通过引入LPBd-B不仅可以获得更高的体系固含量,且在两种厚度(50μm和100μm)下漆膜都清晰、透明,没有外观缺陷,我们可以明显注意到其中的益处。

此外,固含量的提高会影响透明体系的粘度,参考配方V15(LPBd-A)和V17(LPBd-B)可以证实液态聚丁二烯的稀释效果。含有醇酸树脂1(配方V21)的配方粘度增加更为显著,这可能导致因高粘度引起的应用性能问题。

为了确定那些配方中的VOC含量,根据内部测试方法进行GC-MS分析。GC-MS分析的结果和色谱图清楚地表明,固含量较高的配方中VOC含量下降。在醇酸树脂1中用LPBd代替稀释剂显著降低了配方中的VOC含量。在配方V15,V17和V21中(图5),加入树脂替代溶剂含量的体系存在部分差异。

正如预期的那样,通过添加聚合物树脂来增加体系的固含量,VOC的总量减少了。在所测试的配方中,稀释剂显然是VOC的主要来源。

结论和进一步的工作

该研究证实了液态聚丁二烯聚合物在溶剂型涂料中的应用优势,以及从新型液态聚丁二烯中获得的附加的(性能)增强效果。结果表明,添加液态聚丁二烯可以增加溶剂型醇酸涂料的固含量,从而降低其VOC含量。这种100%固含量的液体聚合物的加入,意味着可以进一步接近100%涂料固含量的目标。此外,有数据显示,新型液态聚丁二烯的加入提高了涂料对木材的渗透性,特别是端粒渗透。我们也注意到其他优点,如在透明涂料体系中更长的开放时间和更快的实干潜力。通过优化液态聚丁二烯的添加量,也可以提高漆膜硬度。

使用新开发的液态聚丁二烯可增强涂料的应用性能,同时不会对其他关键性能产生不利影响,如光泽度、色彩或耐户外曝晒。

我们已经展现了新研发的液态聚丁二烯产品应用在一种特定的树脂体系的溶剂型涂料中的优势,未来计划进一步研究它在其他树脂体系中的应用,并评估其应用在包括油质金属和表面未处理好的不同关键基材上的性能表现。