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水性木器涂料在户外的应用研究 郑臣标，闵绍进(中华制漆（深圳）有限公司，广东深圳 518104)Exterior Use Study of Water-borne WoodenwareCoatingsZheng Chenbiao, Min Shaojin(China Paints (Shenzhen) Company, Ltd., Shenzhen 518104, Guangdong Province)Abstract:From the selection of resin, film additive, UV absorber, biocide and mildewcide and their characteristics, this papernarrates the demands and the uses of water-borne woodenware exterior coatings. And it introduces a formula of transparent color topcoat for woodenware and lets it undergo the accelerated aging experiment in QUV. It is showed that product of the formula is of good weatherability, mildewcide, anti-algae performance, water resistance and chemicals resistance, together with fast drying speed, perfect application performance and environment protection performance.Keywords:water-borne woodenware coatings, QUV, gloss loss, color difference, exterior use要求，而水性丙烯酸涂料具有的超强耐老化性、优异的柔韧性和透气性，很适合应用于户外木制品，其应 用领域也在不断扩大。广泛应用于户外木制门窗、木 制房屋、木桌椅、木桥、景观防腐木制品等。本研发的目的是为市场研发一种性价比优良的 水性户外木器有色透明面漆，以用于木质表面的涂 装保护。前言由于木材本身的多孔性和具有很强的吸湿性， 它可以从空气中吸收水分，在温度、湿度变化大的空 间中极易膨胀收缩而导致变形、开裂；另外，由于木 材是大自然的产物，木材在户外受到雨水的浸润和 太阳的暴晒，在一定的湿度和温度等条件下，木材内 部的含水率会激剧变化；同时木材、木纤维中大量的 水分也给真菌、虫蚁提供了适宜的生存环境,这些不 利因素使木材在户外易产生开裂，变形和腐烂，同时 阳光中的紫外线和空气中的尘土也会在一两年内褪 去木材的天然色泽，在木材表面蒙上灰黑色的氧化 层和污垢。因此，户外木器涂料除装饰设计需要外，更需要 满足涂膜良好的耐老化性、防水性、透气性、防腐等0户外水性木器涂料的特点(1)涂膜的耐老化性。必须具有超强的吸收或阻 挡紫外线等外来破坏因素的能力。保护木材，提高木材抗粉化性能，防止涂膜脱 落。(2)涂膜的耐水性。长期雨水冲洗后不起泡、不变 白，轻微泛白后能够恢复，涂膜不脱落，附着力良好。1CHINA COATINGS 2011年第26卷第06期44摘要:从树脂选择、成膜助剂选择、紫外光吸收、杀菌防霉等主要助剂的选择以及产品的性能特点，阐述 了水性户外木器涂料的要求和应用。介绍了一种户外木器透明有色面漆配方，并进行了QUV加速老化试验。 研究表明该配方产品耐候性好、防霉、抗藻、耐水和耐化学性好、干燥快，施工性优异，绿色环保。关键词:水性木器涂料；QUV；失光率；色差E；户外应用中图分类号:TQ630.7+9文献标识码:A文章编号:1006-2556(2011)06-0044-06水性树脂水性木器涂料与涂装(6)涂膜应具有良好的透气性。这样木材才能适应气候的变化，保持与外界一样的湿度，减少翘曲和基材润湿剂0.20.20.2功能。选择成膜助剂时，应当考虑以下几点因素：（1）挥发性和对聚合物的溶解力。使用挥发速率乳液C45298中国涂料2011年第26卷第06期45Water-borne Woodenware Coatings and Application(3)涂膜的弹性和柔韧性。长期暴晒在户外不会 于MFFT较低，涂膜硬度不够且回黏，耐沾污性差。树 开裂、剥落、褪色。夏天高温不返黏，冬天低温不开 脂C其MFFT相对较高，硬度较高，光泽偏低，涂膜耐 裂。涂膜可以随着木材的热胀冷缩而伸缩，有效保护 冲击性相对较差。户外木材持久光泽和色彩。表2 水性亮光清漆配方(4)涂膜要有抵抗微生物侵蚀的能力。有机物易 遭受细菌、霉菌以及藻类的侵蚀，涂料干膜必须加入干膜杀菌剂、防霉防藻剂等，延长涂膜受微生物破坏乳液A85-的时间。(5)涂膜的抗沾污、抗化学品性。涂膜必须具有一乳液C-80定的致密度，保证其具有良好的耐化学品性，抵抗空气中的污染，如酸雨、烟雾、粉尘、海边的盐碱等。增稠剂A0.50.50.5DPNB212.5变形。2户外配方的研究pH调节剂0.10.10.12.1 树脂的选择室外用水性木器涂料由于其涂膜长期暴露在自水915.513然环境中，长时间经受日晒雨淋，导致涂膜老化，主 要表现为涂膜颜色变浅。而水性树脂是木器涂料的表3 基本性能测试结果 主要成膜物质，是优良配方体系的关键组分。根据水性木器涂料应用场合的不同，对树脂的性能要求也表干时间/min233023 GB/T 1728-79(89)不同，用于户外涂装除了要求树脂的施工性、成膜性、干性、涂膜表观效果、耐磨耐划性及柔韧性以外，光泽/%868478 GB/T 9754-2007更强调树脂的耐水性和耐候性。醋丙乳液耐水性太差，涂膜易粉化，苯丙乳液中由于苯环的存在，涂膜柔韧性/mm223GB/T 1731-1993易泛黄，保色性较差，硅丙乳液具有优异的保光保色性，耐候性好，但成本较高。而自交联丙烯酸乳液具耐冲击性/(kgcm)505045 GB/T 1732-1993有固含量高、干燥速率快、成本适中及耐候性好等特点，已广泛应用于户外木器涂料。选择自交联丙烯酸综合以上试验结果，选择了性价比最有优势的 乳液，需要充分考虑乳液最低成膜温度（MFFT）、柔乳液A作为户外木器涂料的主要成膜物质。 韧性和耐冲击性、耐水和耐久性。2.2 成膜助剂的选择经过综合考虑树脂的性能和价格后，最终筛选水性木器涂料中使用的成膜助剂1是水性木器涂了以下3种进口自交联丙烯酸乳液，它们的基本指标料配方中最重要的成分之一，对水性木器涂料的低温 见表1。施工成膜性、干速、初期耐水性和储存稳定性等 2有重要影响。成膜助剂是一种可以挥发的暂时性增塑剂，表1 乳液的基本指标具有改善涂料的流动性，降低乳液最低成膜温度的乳液A40158快、沸点较低的成膜助剂时，虽有助于涂膜快干和早 期硬度的建立，但会影响乳胶粒子的堆积、融合和长户外配方中乳液的选择好坏直接影响最终涂膜 链分子之间的扩散，进而降低涂膜的物化性能，还会 的各项物理化学性能，将以上3支乳液按照表2中配 导致涂膜表面发白。因此应当选用挥发速率和对聚 方制成亮光清漆，对比三者的各项性能，结果见表3。 合物溶解度适中的成膜助剂，这样就能在成膜过程 从试验结果可以看出，树脂A综合性能最好。树脂B由 中滞留在涂膜中发挥作用、成膜后又能全部挥发、且乳液B4447.8原料固含量/%MFFT/pH值耐水性（24 h）通过 通过 通过 GB/T 1733-1993耐黄变性(168 h)E 1.2 1.4 1.5 GB/T 23987-2009铅笔硬度（擦伤）HB2BHB GB/T 6739-2006实干时间/h4 4 4 GB/T 1728-79(89)检测项目1# 2# 3# 检测方法合计100.00100.00100.00增稠剂B0.30.30.3杀菌剂0.30.30.3消泡剂B0.50.50.5DPM21.52.5消泡剂A0.10.10.1乳液B-80-原料w/%1# 2# 3#水性木器涂料与涂装Texanol255260不溶0.002体系中最合适的成膜助剂体系是慢干DPNB与快干DPM的复配使用，确保既有适中的溶解力和挥发速 度的同时，又能保证涂膜有良好的低温成膜性和体 系稳定性的平衡。氢过氧化物，POOH羰基化合物，C=Oh，M2+/M3+残留催化剂， Ti电荷转移配合物，PH、O2P + O2PO2内保存有效期内不被细菌霉菌所侵蚀破坏，称之为POOHPO + OH2POOHPO2 + PO + H2OPOOH + PHPO + P + H2O时间内6080 的加工温度。M2+/M3+PO +PHPOH+P生长的，这样就能更好地接触，达到快速杀菌的效果。222222在垂直照射到地表的太阳光中，大部分为可见CHINA COATINGS 2011年第26卷第06期46Water-borne Woodenware Coatings and Application不影响涂膜性能。保等特性。避免使用对人体有较大毒性的成膜助剂。（2）稳定性。选择的成膜助剂不应影响涂料的稳（4）添加量。在确保水性树脂低温成膜的前提 定性。下，尽量减少成膜助剂的用量，以便降低VOC含量3。（3）毒性。所选择的成膜助剂应当具有低毒，环常见的成膜助剂基本物理参数如表4所示。表4 部分成膜助剂的理化数据DPM二丙二醇甲醚1900.0352,2,4-三甲基-1，4- 戊二醇单异丁酸酯基于以上原理，并结合实际试验结果，在乳液A链引发：2.3 杀菌防霉剂的选择杀菌防霉剂是重要的涂料助剂之一，合理使用自由基：P、PO、HO、HO2 杀菌防霉剂可明显减少涂膜脱落、开裂、发霉、发黄、链增长： 灰化等弊病的发生。涂料杀菌剂是保证涂料在桶(罐)罐内杀菌剂。防霉剂是保证涂料在涂刷以后涂膜在PO2 + PHPO2H + P 一定时期内不长霉，称之为干膜防霉剂。两者需要搭链支化： 配使用4，才能保证最佳效果。理想的杀菌防霉剂应 h， 当具备以下特点：M2+/M3+(1)与配方中各组分的相容性好，不会对气味、颜h，色、稳定性等方面有影响。M2+/M3+(2)能在4045 内长时间稳定贮存，且允许短h，(3)水溶性要好，因为大部分微生物都是在水相中(4)在pH 值79范围内稳定贮存，确保杀菌防霉HO + PHH2O + P 剂在体系中能长期稳定。链终止：(5)较低的环境毒性和良好的生物降解性。P + PP P(6)杀菌谱线全面，要求对碱性环境下滋生的大P + PO2 POOP 多数细菌和霉菌都有很好的杀菌效果。PO + POPOOP + O2.4 紫外光吸收剂的选择PO + PO非自由基产物 + O光(400800 nm)和红外光(8003 000 nm)，290根据上述光老化机理，光稳定除可通过光屏蔽、400 nm的紫外线仅占约5%左右5-6，而正是这小部分 紫外线吸收、激发态猝灭、氢过氧化物分解等光引发 的太阳光紫外线引发了涂膜老化变色，大大缩短了阻止机理达到外，还可通过捕获和清除自由基以切 户外制品的使用寿命。涂膜(PH)光老化主要是由于断自动氧化链反应的方式实现。 发生光氧化反应所致,其一般过程 7-10可表示如下： 添加紫外线吸收剂（如苯甲酮和苯并三唑）、能DPNB二丙二醇丁醚2304.50.006成膜助剂主要成分沸点/25条件下水中溶解度挥发速度(n-BuAc=1)水性树脂水性木器涂料与涂装材清晰的木纹，而本身具有的高耐光性又使家具颜9罐内防腐剂0.3材防止其降解的作用。11蜡乳液2中，中速搅拌；缓慢加(2)(3)；分散3 min，然后高速分散10 min停机刮板看流平，无油窝即合格。中速搅 拌，按顺序预先混合(4)(6)，缓慢加入搅拌均匀。然 后缓慢加入(7)(14)，继续中速分散510 min，最后 用(15)(17)调整黏度和pH值。在生产过程中，消泡性木器涂料的耐候性15。中国涂料2011年第26卷第06期47Water-borne Woodenware Coatings and Application有选择性地吸收有害的紫外射线并以热的形式损耗表5 户外用水性木器透明有色亮光面漆配方掉。添加位阻胺（HALS）可切断自动氧化反应链，两者协同使用效果更好11。 1乳液A852.5 透明氧化铁的选择透明氧化铁系颜料具有很好的吸收紫外线的能3增稠剂A0.5力，国外大量使用透明氧化铁颜料作木材涂装的着 色剂，使用透明氧化铁颜料代替传统颜料可保留木5DPNB2色经久不变，大大提升产品质量12。但是涂膜颜色越 7消泡剂B0.5 深，吸热能力越大，从而加大涂膜内部蒸汽的压力， 会导致涂膜裂纹和剥落。适量添加可以起到保护木2.6 特殊助剂的选择在水性木器涂料中，特别是户外产品，提高涂13纳米氧化锌浆0.5 膜耐水性及抗紫外线是延长涂料老化的关键。Marc Herold13阐述了一种经过特殊工艺处理的纳米颗粒 15PH调节剂0.1 的氧化锌能够显著提高水性涂料的耐化学性和耐水性。Detler Burgard14研究了一种氧化锌纳米乳液在 17水2.4 单组分水性乳胶涂料中的应用，这种助剂易于分散， 和体系的相容性好。能够明显增加耐溶剂擦拭性，耐 水性及抗回黏性。还能减少表干时间，不会影响罐内 状态。该技术广泛应用于透明高光清漆。另外，因纳 米氧化锌属于无机颜料，与有机颜料相比，防紫外线 效果更优，添加无机纳米氧化锌能明显增强户外水剂、成膜助剂和增稠剂要缓慢加入。避免局部浓度过3配方测试高或者温度过高时造成乳液破乳或者是缩孔出现。3.1 户外用水性木器透明有色面漆配方（见表5）3.2 常规基本性能测试生产工艺控制：按表5配方将(1)先加入分散釜常规性能测试结果见表6。表6 产品基本性能测试结果在容器中状态搅拌后均匀无硬块状GB/T 23999-2009中6.4.1 不挥发物/% 38GB/T 1725-79(89) 贮存稳定性（50 ，7 d）无异常GB/T 23999-2009中6.4.5 实干时间/h4GB/T 1728-79(89) 铅笔硬度（擦伤）HBGB/T 6739-2006 柔韧性/mm2GB/T 1731-1993 耐水性（24 h）无异常GB/T 1733-1993涂膜外观正常GB/T 23999-2009中6.4.7耐冲击性/（kgcm）50GB/T 1732-1993附着力（划格间距2 mm）/级0GB/T 9286-1998光泽（60）/%86GB/T 9754-2007表干时间/min25GB/T 1728-79(89)黏度（25 ）/KU65GB/T 9269-2009细度/mm20GB/T 1724-79(89)检测项目检测结果检测依据合计100.0016增稠剂B0.214透明氧化铁黄1.512紫外光稳定剂0.510涂膜杀菌剂0.28基材润湿剂0.26水24DPM22消泡剂A0.1序号原料w/%水性木器涂料与涂装(1)测试条件：UVA340灯管，辐射照灯能量0.68失光率（= 老化前的光泽-老化后的光泽）老化前的光泽100%(2)测试底材：松木。为1级（很轻微失光）。QUV测试60 d，其变色程度为2养护7 d。色）。素材打磨。注意木材应不开裂、不翘曲、颜色地点的天然老化，不同时间的测试也会由于光、湿含水率不能超过15%。人工加速老化与天然老化的对应关系一直是涂料界600#砂纸将基层表面的毛刺、瑕痞清除，使表面光滑、平整。600#800#砂纸打磨平整光滑。上水性户外面漆一道，干燥23 h。添加高性能的UV吸收剂和防霉抗藻剂及特殊的纳3.3.2QUV测试结果好、防霉、抗藻、耐水和耐化学性好、干燥快、施工性木器涂料性能的影响J.合成材料老化与应用,2010,2)涂膜外观正常，表示涂膜平整不开裂、不粉化、不起CHINA COATINGS 2011年第26卷第06期48Water-borne Woodenware Coatings and Application3.3 QUV加速老化试验涂料制品在户外应用中造成涂膜老化的因素 有：光照、高温、潮湿，这3个因素中的任何一个都会 引起涂膜的老化损害，而且它们往往同时发生作用， 所造成的危害将大于其中任一因素的单独作用。本试验采用QUV加速老化试验机，可以再现阳 光雨水所产生的破坏，通过将待测材料放在经过控 制的阳光和湿气的交互循环中同时提高温度的方式 来进行试验。只需几天或几周时间，QUV可以再现 户外需要数月或数年所产生的破坏。所造成的损害 主要包括褪色、变色、光泽下降、粉化、龟裂、脆化、氧 化、滋生霉菌。3.3.1 QUV加速老化试验机测试条件及底材其中，失光率的测量公式如下：W/m2。试验周期为8 h UV光照（603）、4 h冷凝水（503）。从表7可以看出，QUV测试90 d，其光泽失光程度 (3)涂膜养护期：在温度（202），湿度65%5%级（轻微变色），测试90 d，其变色程度为3级（明显变 (4)施工工艺：由于天然老化的影响因素很多，即使是在同一 正、纹理顺。不能腐朽、变色、有虫害。必须经过干燥，气、温度等多种因素的差异，产生不同的试验结果。上水性木器封闭底漆一道，干燥35 h后，用未解决的难题。有文献报道，室内耐候试验机运转100120 h(4灯)相当于户外暴露1 a16-17。上水性木器底漆第二遍。干燥68 h后，用4结语本试验研究以水性自交联丙烯酸乳液为基料，上水性户外面漆二道。米氧化锌助剂，并以水为稀释剂。产品具有耐候性 测试结果表7，图1为对应的曲线图。优异、绿色环保、无刺激性气味等特点。适用于室内表7 QUV测试结果外木质门窗、户外家具的保护和涂装。涂膜外观正常正常正常正常 光率/%03.49 5.817.44参考文献注：1)测试时间为3个月,即2 160 h；1 吴服兵.水性树脂复配与成膜助剂选择对单组分水性泡、不剥落、不长霉；39(2):18-233)失光率、色差E的计量及评定按GB/T 1766-199（5 色2 吴俊.成膜助剂在高Tg乳液木器涂料中的应用J.涂料漆和清漆 涂层老化的评级方法）中4.1和4.2进行。工业,2010,40(3)色差E0.22.53.847.23光泽（60）/%86838179.6时间/d起始3060903刘成楼,陈学联,等.耐候快干水性木器实色漆的研究及其应用.现代涂料与涂装,2010(6):9-11 麦霭平.多元涂料防霉剂复配协同效应的探讨J.广州 化工,2010，38(12)：184-186 山西省化工研究所塑料橡胶加工助剂北京：化学工 业出版社，2002：222-224COONEY J D，WILES D MACS Symp Ser.1976.25：307-320RANBY BJ Mat SCi-Pure Appl Chem，1993 A30(9&10)：583-59445678 SCOTT GMechanisms of Polymer Degradation andStabilizationNew York：Elsev