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关于改进辊涂UV高光面漆流平性的研究,为改善UV 高光漆辊涂中的流平性提出了设计构想和理论分析
2019年08月10日    阅读量:4803     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 引言

随着近年来人们环保意识的增强,以及环保法规的制定,紫外光固化涂料(简称UV 涂料)的应用越来越多。紫外光固化涂料是目前所有涂料中涂装方式最为复杂多变的涂料体系,基本上涵盖了喷涂、浸涂、擦涂、淋涂和辊涂。


由于UV 的可视性固化方式的局限性,在目前的所有涂装方式中,特别是家具的涂装方式主要以辊涂为主中国建材网cnprofit.com。由于西方人审美观的不同,出口家具和地板的涂装方式多以美式仿古为主,从而面漆涂装主要采用10°~50° 的亚光涂料,对亚光涂料薄涂膜的辊涂来说,流平性要求不是很高,甚至轻微的非流平性对亚光表现还有些许的帮助[1]。


UV 涂料自20 世纪90 年代中期引入我国家具涂装业后,对于高光涂饰,一直是一道迈不过去的门槛,特别是我国东北、中原、西部的消费者倾向于高光涂饰,辊涂的高光面漆流平性都不是很好,橘皮现象严重,迫切希望高光面漆的流平性得到改善。为了改善高光UV 涂料的辊涂效果,我们成立了专门的课题组进行项目的研讨,从流平性的影响因素及辊涂涂装的特殊性进行分析,提出了高光UV 涂料辊涂流平性的改善途径。


1 关于辊涂流平的相关基本原理

1.1 流平性基本概念

流平性(levelling property)是指涂料在承涂物上流平均匀呈现足够光泽而无针孔的性能;涂料施涂后,湿漆膜能够流动而消除涂痕的性能,是涂料施工性能中的一项重要指标。一般来说,流平性与涂料的黏度、表面张力和使用的溶剂等有关。因各国标准不同,相应所规定的流平性测定方法也不同。我国国标中,以涂膜恢复或达到均匀平滑表面所需时间来表示,10 min 之内流平的涂膜为流平性良好。美国ASTM 检测标准中,对于白色及浅色漆,以刮成的几对不同厚度的平行条形涂层完全和部分流到一起的数目,与标准图形进行对照,用0~10 级表示,10 级表示完全流平,0 级流平最差。当涂料刚被涂布于底材上时,会留下施工痕迹(刷痕、接痕、辊痕等),形成的湿膜是不平整的。不平整的湿膜表面会出现凹凸,此时的表面积比平整时要大,相对的表面能也要大。达到平整时,其表面积最小,表面能也最低,所以湿膜才会流平,这个过程是依靠不同位置湿膜的表面张力差来实现的——也就是流平[2]。

1.2 UV 辊涂的特殊性

UV 涂料的固化与其他类型涂料相比有其特殊性,其一是固化时间极短,无溶剂的UV 涂料涂布后大概在3~10 s 内就会固化,对于辊涂来说几乎流动流平的效果很难奏效;其二是体系中没有溶剂,靠丙烯酸酯单体稀释,黏度大,表面能很难降低;其三是辊涂带来的高剪切涂装方式不但没有让涂料平覆地涂上去,还因剪切压覆造成不平效果。正是由于辊涂的特殊性,对于辊涂UV 高光涂料来说,流平一直是一个很难解决的问题。


2 实验部分

2.1 实验准备及设备

在12 cm×60 cm 的板上预先涂布3 道UV 底漆,固化砂光平整。辊涂面漆的设备是辊涂机(其中PU 胶棍的硬度是50 度),流平线长3 m,施工限速15 m/min,紫外固化机为三灯300 mJ/cm2 的能量固化。整套设备均由浙江明锦设备制造有限公司提供。

2.2 试验配方基本体系

在表1 所提供的配方下进行平行性实验。由于体系的其他物性关系,对低聚物和三官能团单体不作改变。

UV 辊涂面漆配方

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2.3 实验结果评价

采用相同的涂装方式,漆膜固化后用肉眼观察漆膜的平整性,是否有橘纹、凹坑等视觉现象,然后用比较的方法来确定流平性的好坏。


3 结果与讨论

涂料的表面张力(即表面能)对涂料的生产、施工以及最终的涂膜质量都有重大影响,所以在涂料配方设计中,如何降低表面张力显得十分重要。为此,我们从如何降低UV 辊涂涂料体系表面能入手,从单体选择、体系黏度、助剂、施工工艺方面做一些探讨。

3.1 体系单体表面张力的影响

UV 涂料大致由以下几部分组成:低聚物、单体、光引发剂、助剂、填料。要使涂料表面能低,就要注意相关体系的相容性,并且设计配方时要注意相关材料的表面张力的匹配。由于成膜物性要求,低聚物高黏度,极性差别不大,所以我们固定一种低聚物来考虑,表2 是我们收集国内目前在售的长兴、沙多玛(美国)、三木、利田、天骄几家公司的原材料,测其表面张力,取其误差小于5% 的相同品种的平均值。

常见低聚物及单体的表面张力

由表2 可见:相同的体系选用不同的单体结果是有差别的,表1 配方中,仅改变二官能团单体而其余原料不变时,会得到表3 的结果。由表3 可见:选用低表面张力的单体,整体配方表面能也低一些,有助于涂料的流平。效果最好的是PO-NPGDA。

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改变二官能团单体涂料体系表面张力的变化

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3.2 黏度对流平的影响

我们通过减少5% 的二官能团单体PO-NPGDA 来改变体系黏度,上机辊涂,涂布量同样控制在15 g/m2。结果发现,体系黏度越大流平越差,当然黏度越小,流平越好,但黏度太小,涂料不容易上辊,这样涂布量就做不大,通过实验,我们认为体系黏度控制在200~250 mPa·s(25℃)比较适宜。为了增加流平,改进施工黏度也很重要,由于UV 体系的稀释单体是丙烯酸酯类单体,溶解能力好的单体更易降低体系的黏度,通过实验与经验,发现HDDA 和HEMA 的稀释溶解性特别好,容易使体系黏度降低,流平也好。


3.3 助剂对流平的影响

对于涂料而言,流平助剂是与涂料体系有限混溶的线性树脂,从结构上看,它们与表面活性剂不同,不具有亲油基、亲水基的特殊结构。因为分子结构的差异,它们的性质也有差异,流平助剂迁移至涂料湿膜的表面就是由它们的有限混溶性决定的。


随着有限混溶性的降低,流平助剂会富集于湿膜表面,使湿膜表面的挥发减少,保持湿膜流动性增强。从而发挥流平作用,减少痕迹,提高漆膜的流平性。含硅类流平剂有助于增加流动性,丙烯酸酯类流平剂有助于漆膜的平展性。

一般含硅类的流平剂相容性很有限,丙烯酸酯类流平剂均是大分子类的,可增加有限不相容性。另外,目前还有一类三聚氰胺类的流平剂,它是通过迅速迁移至表面来增加漆膜流平性,这类流平剂很少用,因为通过在配方中直接使用氨基树脂就可以达到相同的效果,所以一般使用氨基的体系不加或加很少量流平剂。


使用含硅类助剂不但混溶性下降,还能迅速降低涂料的表面张力至20 mN/m,优点明显,但也有不足,最主要是混溶性较差,实际用量达0.05% 就可以达到效果,稍微过量就会有副作用,不易分散,造成缩孔、厚边等现象,用量过多还会污染环境和影响重涂性,通常配成稀溶液后,再通过聚醚改性来提高混溶性,但耐热性稍差,此时可以根据配方选一些聚酯改性的硅油类流平剂。我们选用了BYK、EFKA、德谦、TEGO 的各类流平助剂做了大量的实验,结果见表4。

不同流平剂的影响

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由表4 可见:所有含硅类助剂在UV 涂料辊涂中效果均不是太好,均有不同程度的橘纹。部分丙烯酸酯类流平剂和含氟类流平剂具有一定效果。这可能与辊涂这种施工方式有关,涂料在高剪切下涂装造成外力运动大于体系表面活性向上移动的结果,大量的实验表明,目前基本上没有一种含硅类助剂能对高光辊涂产生明显的流平效果。


丙烯酸酯类和含氟类流平剂对于辊涂高光涂料是有帮助的,这也许与这类流平剂具有长波流平有关,建议选择丙烯酸酯类与含氟类流平剂拼用效果较好。


3.4 涂装工艺的影响

对于辊涂来说,除通过涂料相关性能改进流平效果以外,改进施工工艺也会促进流平性的改进。具体来说,可以通过以下二方面来改进。

第一,设备的改进。近年来新开发的一种镭射辊,只要设计好相关低黏度体系的辊涂涂料便可以进行操作,效果近似于淋涂,这种方法相当于一种转移涂布,通过印刷转印的方式把钢辊统一地刻入一定深度,把涂料填入后转移到硬胶辊上,再转移到承涂物上,整块涂布,很平整,但由于是直接硬辊转印,所以对承涂物的平整性要求极其严格,一般应小于0.2 mm,否则就会出现漏涂。另外设备上还可以用传统的正逆辊的模式,前面辊涂正滚,后面用逆辊来收平涂料,这种涂布方式对于调整施工的转速等搭配很重要,操作较繁琐,现在基本不采用,但其实掌握好操作方法,涂布出来的效果还是很不错的。

第二,引入红外流平。由于辊涂的施工时间很短,要加快其流平,只有靠提高固化前温度,加快流动性,一般建议使用红外流平的方法。使用50~60℃的红外流平10 s 左右,便可提高流平效果。


4 结语

通过对辊涂UV 高光面漆流平性的实验摸索和探讨可知,要改进辊涂施工中的流平性,主要是尽量采用低表面张力和溶解性好的单体,涂料体系的黏度控制在200~250 mPa·s(25℃),另外选择丙烯酸酯类和含氟类流平助剂搭配使用。在施工中使用镭射辊和正逆辊及增加红外流平都可以改善辊涂UV 高光面漆的流平性。


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