2KPU透明底漆漆膜发白现象的实验室模拟研究

2KPU透明底漆漆膜发白现象的实验室模拟研究陈小文1,2,荆红德2,练世斌2,贾欣茹1(1.北京大学化学与分子工程学院,100871;2.广东华润涂料有限公司,顺德528306)0引言聚氨酯涂料因其具有优良的附着力、极好的装饰性、较全面的耐化学品性能、超群的耐候性等,而被广泛用于航空航天、电子、交通运输、化工防腐及日用器具、民用建筑等领域[1-2]。在我国,双组分聚氨酯(2KPU)涂料是当前聚氨酯涂料的主流,也是广大消费者心目中比较理想的高档木器漆[3-4]。然而,聚氨酯涂料在施工时,或者施工后几天、十几天、几个月乃至更长的时间里,都可能出现漆膜发白的现象。根据涂料涂装后出现漆膜发白现象的快慢,可将漆膜发白情况分为4类:施工后1周之内出现的发白(简称立即发白);施工后1周~1个月内出现的发白(简称短期滞后发白);施工后1~3个月内出现的发白(简称中期滞后发白);施工3个月后出现的发白(简称长期滞后发白),后两种发白现象又合称为中长期滞后发白。中长期漆膜发白因为出现发白现象需要经历的时间长、环境多变、原因众多[5-6],难以进行正确迅速的事后处理,既影响涂料产品在消费者心目中的定位,又会引发许多复杂的索赔、退货、补偿等经济纠纷,带来极大的经济损失与信誉伤害。本文在了解聚氨酯底漆施工后所处环境特点的基础上,设置与该环境具有高度相关性的特定条件对其进行实验室模拟,可望在较短的时间内预测出涂料出现中长期发白现象的可能性,从而采取相应对策防治漆病,改善木器涂料与涂装的品质。1引发PU底漆漆膜中长期发白的环境及其特点木器家具在进行涂装之后,最难预防也最难模拟的漆膜发白环境是中长期发白环境。这是因为从涂料施工完毕到漆膜出现中长期发白现象,木器家具所经历的时间长达数月乃至1年以上,而在涂装后存放期间,木器家具所处的温度、湿度、空气流通等环境因素均可能发生较大程度的改变,包括低温、中温、高温的变化,低湿、中湿、高湿的更替,以及木器家具所处车间、房屋门窗的开放与关闭等。要反映所有这些环境因素对漆膜发白现象的影响,是实验室模拟模型建立的难点之所在。从近10年来木器涂料用户反馈回来的信息来看,2KPU底漆漆膜出现中长期发白现象的涂装施工与涂装养护环境可分为2种:(1)常规环境,即随天气而变化的自然环境;(2)特殊环境,即木器家具涂装后所存放的具体环境。分析2种环境的特点,不难发现,在常规环境中存放的涂装家具,随自然环境的温度和湿度的变化而发生相应的变化;而对于特殊环境中存放的涂装家具,因为具体环境的多变,难以准确地把握其内在的共性。常见并具有一定共性的特殊环境如下:家具厂在对批量木器进行某种涂料的涂装施工之后,将涂装的木器比较密集地放置,或将涂装后的家具放在一间门窗经常关闭的房间,隔了一段较长的时间(1个月以上)之后,将涂装木器放置的空间由较为密集改成较为宽敞,或将涂装家具所处房间的门窗由经常关闭变更为连续开放1天以上。结果发现,处在这类特殊环境下的木器家具,均出现了中长期漆膜发白现象。2漆膜发白环境的实验室模拟方法针对引发PU底漆漆膜中长期发白现象的环境,涂料专家进行了大量的研究工作,力求能模拟与其具有高度相关性的实验条件,使涂装后的家具在较短的时间内产生与漆膜中长期发白相同或相似的效应。高低温湿热交变循环模拟实验法是基于漆膜中长期发白现象的常规环境提出来的,也是迄今为止在涂料界有一定应用且形成了一定共识的实验室模拟研究方法。该模拟实验与漆膜中长期发白环境的相关性,在于??常规环境中的温度与湿度随着季节、气候的变化而发生变化,最终导致漆膜发白。冷热交变循环实验的工艺是将涂装后的木板放置于高低温湿热交变试验箱,控制试验箱中温度与湿度的变化规律,实现由低温到高温、高湿到低湿的5次循环。所谓1次循环,一般是先在1h之内将温度由-20#升高至60#,在60#条件下恒温2h,然后,在1h之内将温度从60#降至-20#,再在此温度恒温2h,即完成1次循环。在1次循环的过程中,试验箱的湿度随着温度的变化而逐渐改变。5次循环后,取出木板,观察漆膜的发白程度,即可预测该种涂料在实际应用中出现中长期漆膜发白现象的可能性。低温高湿封闭模拟实验法是广东华润涂料有限公司根据本文上节介绍的漆膜中长期发白的特殊环境而提出来的一种实验室模拟研究方法,它对于引发漆膜中长期发白问题的常规环境同样具有一定的模拟参考价值。在上述的特殊环境里,木器家具涂装后所处环境经历了空气流通情况由差到好的转变,并最终引发漆膜发白,这是设置模拟实验条件的基础。低温高湿封闭模拟实验的工艺大致如下:制作数块40cm*60cm柚木木皮夹板粘3mm厚中纤板的底板,对其进行2道厚涂,2道喷涂之间的时间间隔为30min;喷涂完毕,在漆膜表干后的不同时间分别用透明胶带对底板的不同部位进行封闭,再将透明胶带封闭的底板放入温度为(25%5)#、湿度55%~65%的大气环境;4d后,撕去透明胶,置于温度为8#、湿度80%的恒温恒湿试验箱,保存24h;取出样板,观察并记录漆膜发白情况,以此预测该种涂料出现漆膜发白的可能性。3模拟实验与结果分析3.1原材料及仪器原材料:分散剂、润湿剂、消泡剂、防结皮剂、防沉剂、短油醇酸树脂、滑石粉、真溶剂、固化剂、稀释剂等。仪器:GFJ-0.4型高速分散机及配套设备、分散罐;JS-ANTEWEN型高低温湿热交变试验箱;OC-1360型高倍体视显微镜等。3.2聚氨酯透明底漆与清漆的制备透明底漆的制备:按一定比例依次投入短油醇酸树脂、助剂、溶剂,中速分散10min;然后在低速分散下加入滑石粉,高速分散15min;加入稀释剂调黏度,得到含羟基组分的聚氨酯漆;按漆&固化剂&稀释剂=1:0.5:0.4~0.6(质量比)调制涂料。清漆的制备:参照透明底漆的配方组分与加入量,将短油醇酸树脂、固化剂与稀释剂调制成漆,稀释剂的准确添加量以保证喷涂黏度为15s(涂-4杯)为准。3.3实验结果与讨论分别以聚氨酯透明底漆与清漆喷涂样板,在经过5次高低温湿热交变循环实验之后的漆膜发白情况如图1所示。由图1a可知,透明底漆喷涂的样板出现了明显的发白现象,而图1b表明清漆喷涂的样板不发白。图2、图3分别为聚氨酯透明底漆与清漆在低温高湿封闭实验后的漆膜发白情况,其中a、b分别是涂料表干后1h和2.5h进行封闭之处。从图2可以看出,透明底漆喷涂的样板中,不封闭之处与表干后2.5h才封闭之处有轻微的发白现象,而表干后1h封闭之处出现了明显的发白现象。图3则表明,对于清漆喷涂的样板,表干后1h封闭之处、表干后2.5h封闭之处、以及自始至终都不封闭之处,均无漆膜发白现象。对比分析图1、图2与图3,发现不管是使用聚氨酯透明底漆还是清漆进行喷涂,涂料表干1h即进行封闭之处的漆膜发白情况与通过5次高低温湿热交变循环实验后的漆膜发白情况是一致的。由此可见,高低温湿热交变循环模拟实验法和低温高湿封闭模拟实验法,虽然实验方法和设置的实验条件不同,却以相同的实验结果预测了涂料在实际应用中出现中长期漆膜发白现象的可能性。此外,清漆无发白现象的结果也表明,该种漆料配方中选用的树脂和固化剂具有较好的相容性;以相同树脂和固化剂配制而成的聚氨酯底漆,其漆膜发白现象并非树脂与固化剂的不相容所引起。利用高倍体视显微镜对漆膜进行了表层形貌分析。图4为高低温湿热交变循环模拟实验后的漆膜放大100倍的显微镜照片,其中图a与图b分别为聚氨酯透明底漆与清漆的漆膜形貌。从图4可以看出,在经过高低温湿热循环后,透明底漆漆膜明显发白,且在漆膜表面裸露着大量粉料;而清漆表面无发白现象,也无粉料裸露的现象。由此可以初步推断,涂料中粉料(即滑石粉)在漆膜表面的密集,是引发漆膜出现中长期发白的重要因素。为了考察滑石粉的吸水性是否是导致漆膜发白的主要原因,对同一矿源不同粒径的滑石粉进行了吸水性的检测与配漆涂装实验。滑石粉粒径越小,比表面积越大,吸水性越强;以不同粒径滑石粉填充PU底漆的封闭模拟实验照片(图5)显示,漆膜发白的严重程度为325目800目1250目,即粒径越小,漆膜发白程度越轻。因此,滑石粉的吸水性并非漆膜发白的主要原因。4结语(1)高低温湿热交变循环模拟实验法与低温高湿封闭模拟实验法,是预测涂料出现中长期漆膜发白可能性的有效方法,两者的实验结果互为佐证。(2)滑石粉在漆膜表面的密集是引发漆膜出现中长期发白的重要因素,但滑石粉的吸水性并非漆膜发白的主要原因。关于PU透明底漆漆膜发白的机理,尚需进行更深层次的探讨。