CN101993655A - 一种紫外光固化水性木器漆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外光固化水性木器漆及其制备方法。该木器漆采用水性UV固化树脂、光引发剂、稀释剂、助溶剂、润湿剂、流平剂、消泡剂、硅烷偶联剂和一定量的纳米二氧化硅及纳米氧化铝混合制成。其中UV固化齐聚物由聚醚多元醇PPG-400，异佛尔酮二异氰酸酯IPDI，二羧烷基羧酸DHAO，丙烯酸羟基乙酯HEA聚合反应制成。本发明制成的紫外光固化水性木器漆具有固化速度快，涂膜硬度高的突出优点，对人体及环境无任何伤害。

Description

一种紫外光固化水性木器漆及其制备方法

技术领域

本发明涉及木器漆，特别是涉及一种紫外光固化水性木器漆及其制备方法。

技术背景

目前，木器涂料中溶剂型涂料虽然仍占主要部分，但紫外光(UV)固化、水性涂料所占份额正逐年增加。在西欧发达国家，由于各种相关环保法律法规的实施，水性涂料得到充分发展。在工业涂料市场，水性涂料的应用比例从1994年的12.9％上升到2006年的22.3％，而溶剂型涂料从1994年的66％下降到加2006年的52.1％。具体到木器漆，1995年水性涂料约占7％，到了2005年，水性涂料的市场占有率到了15％，溶剂型木器漆从84％下降到了67％。而在美国市场，溶剂型涂料使用比率下降非常明显，从1997年的31.2％下降到2003年的18.7％，水性涂料从38％上升到41％。到了2003年，在欧洲，美国，加拿大等发达国家，水性木器涂料已占整个木器漆市场的10％。

紫外光固化水性木器涂料属于近几年新发展产品，每年以9％速度增长，UV固化水性木器涂料具有VOC更低和快速固化等优点，并能获高硬度兼柔韧性的涂膜，抗化学性与耐划伤性具有优势，能克服现在的水性木器涂料存在的不足。

紫外光固化技术是一种高效、节能与环保的新技术。紫外光固化速度快，普通涂层仅需要几秒钟的时间即可固化，生产效率高，可以用于流水线生产；低温固化，节省能源，能耗仅为热固化的1/5～1/10，由于基材无需加热，紫外光固化尤其适用于热敏感性的基材。水性紫外光固化体系结合了紫外光固化技术和水性涂料技术，采用水不但可作树脂的稀释剂，还可以作为分散介质，在此基础上发展起来的光固化水性涂料具备许多优点：齐聚物的高分子量及低的交联密度，可避免由于活性稀释剂所引起的固化收缩，涂膜最终附着力好，同时可解决传统油性涂料不能同时具有的高硬度和高韧性的矛盾；水性体系可以更方便的调节流变性；通过调节配方的固含量可得到极薄的涂层；适用于喷涂、辊涂、刷涂能通用的涂布方式且设备易于清洗；水是安全廉价的介质，不易燃烧。

紫外光固化木器涂料通过紫外光照射光固化涂料上时，激发分解涂料中的光引发剂，生成游离基团，活性游离基团撞击涂料中的双键并反应形成增长链，这一反应继续延伸，使活性稀释剂和齐聚物中的双键断裂，交联成膜。紫外光固化木器涂料具有固化速度高、能耗低、环境污染小、性能高等特点，但其自身仍有一些弊端：固化不均匀，交联度不高，固化薄膜普遍具有力学转变范围较宽和容易应力开裂等缺点。另外，由于氧阻聚作用，表面的耐磨性较差，需要加入无机材料进行改性，但是无机材料与涂料的相容性较差，需要添加相应助剂以免影响涂料稳定性、流平性等性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有的紫外光固化水性木器漆耐磨性差，硬度低，韧性差，不抗裂等问题，提供了一种纳米材料改性的紫外光固化水性木器漆及其制备方法，合成的木器漆固化速度高、固化均匀、耐磨性好、涂膜硬度高、韧性好。

本发明目的通过如下技术方案实现：

本发明的方法是采用水性聚氨酯丙烯酸酯、光引发剂、水性稀释剂、水溶性助溶剂、润湿剂、流平剂、消泡剂、硅烷偶联剂、纳米氧化铝、纳米二氧化硅和去离子水混合制成。其中各组分的重量份数为：

水性紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯    43-58％

光引发剂                        3-6％

水溶性稀释剂                    11-20％

水溶性助溶剂                    3-9％

润湿剂                          0.1-0.3％

流平剂                          0.3-0.6％

消泡剂                          0.2-0.5％

硅烷偶联剂                      3-5％

纳米氧化铝                      2-5％

纳米二氧化硅                    2-4％

去离子水                        12-18％

本发明的涂料生产工艺为：

将重量份数的纳米二氧化硅和纳米氧化铝加入到水溶性稀释剂中，搅拌下分散均匀；将上述分散液体加入聚氨酯丙烯酸酯中，快速搅拌分散均匀；搅拌下，先加入硅烷偶联剂，然后加入光引发剂、水溶性助溶剂、去离子水、润湿剂、消泡剂、流平剂，分散20-30分钟，即得紫外固化水性木器漆。

所述光引发剂可为：Darocur 1173、Darocur 2959、Irgacure 184、WB-4784、WB-4792，本发明使用Darocur 1173(瑞士汽巴精化公司)；

所述水溶性稀释剂为：12个乙氧基以上的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯；

所述水溶性助溶剂为：N，N-二甲基甲酰胺、乙醇、正丁醇、丙二醇乙醚；本发明采用N，N-二甲基甲酰胺；

所述硅烷偶联剂为：KH-550或KH-560；

所述消泡剂采用Tego-270(德国Tego公司)，流平剂采用BYK-349(德国BYK公司)，润湿剂采用Tego-270(德国Tego公司)。

本发明所述的聚氨酯丙烯酸酯由聚醚PPG-400、异佛尔酮二异氰酸酯IPDI、丙烯酸羟基乙酯HEA和二羟烷基羧酸DHAO聚合反应制成。各组分的重量份数是：

聚醚PPG-400                27-37％

异佛尔酮二异氰酸酯IPDI     21-27％

丙烯酸羟基乙酯HEA          16-21％

二羟烷基羧酸DHAO           3.1-4.2％

催化剂                     0.010-0.016％

阻聚剂                     0.005-0.009％

去离子水                   20-30％

本发明所述的聚氨酯丙烯酸酯通过如下方法(按重量百分比计算，其中不包括中和剂重量)合成：在氮气保护状态，200-400r/min均匀搅拌下，将27-37％的聚醚PPG-400滴加至21-27％异佛尔酮二异氰酸酯中，升温至65-70℃，反应2-4h，再加入3.1-4.2％的二羟烷基羧酸，升温至80-86℃，反应2-4h后加入0.1％催化剂，反应至二羟烷基羧酸小颗粒消失后，降温至50℃左右；加入重量百分比为0.01-0.016％的催化剂和0.005-0.009％阻聚剂，逐渐滴加16-21％的丙烯酸羟基乙酯并升温至75-80℃，当-NCO游离质量含量为0-0.5％时，反应完成；降温至室温，在搅拌下加入适量的中和剂调节pH值为6-7，再加20-30％的去离子水，得到水性紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯乳化液。

所述催化剂为二月桂酸二丁基锡；阻聚剂为对羟基苯甲醚或对苯二酚；中和剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP-95，安格斯化学公司)。

本发明制成的紫外光固化水性木器漆使用时通过80mW/cm²的紫外光下照射，干燥时间为8-15s，固化效果符合国家标准，对人体和周围环境无伤害。

相对于现有技术，本发明的优点是：

(1)纳米材料具有比较高的表面能，通过添加一定量的硅烷偶联剂，对纳米材料进行改性可在纳米材料、聚氨酯丙烯酸酯和溶剂水之间形成一种键合作用，从而有效地改善和提高了纳米氧化铝的分散稳定性，并且通过添加无机纳米材料有效地改善了涂膜的耐磨性和硬度。

(2)以水性聚氨酯丙烯酸酯配制的木器涂料，柔韧性好、耐磨性好，但是硬度稍差、固化速度慢。本发明制作的木器漆可以克服上述缺点，具有柔韧性好、硬度高、固化快、固化均匀、抗裂性好、环保等优点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。但是本发明的实施方式不限如此。

实施例1

聚氨酯丙烯酸酯的制备

1、在干燥的氮气保护下，将83.3g异佛尔酮二异氰酸酯投入到500ml三口烧瓶中，在200r/min均匀搅拌下，向烧瓶中滴加96.5g聚醚PPG-400，滴加完成后，升温到67℃，反应时间3h。

2、再加入11g二羟烷基羧酸，升温至83℃，由于二羟烷基羧酸是固体，反应进行的比较慢，加入0.019g催化剂二月桂酸二丁基锡，反应至二羟烷基羧酸小颗粒消失后，降温至50℃。

3、加入0.019g催化剂二月桂酸二丁基锡和0.017g阻聚剂对苯二酚，混合均匀后，逐渐滴加51.4g丙烯酸羟基乙酯，之后升温至77℃，反应时间4h。

4、使用红外分析-NCO游离质量分数，当含量为0.1％左右时，反应基本完成。

5、降温至室温，在搅拌下加入2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP-95)，调节pH值为6-7，加入130g去离子水，搅拌后得到水性聚氨酯丙烯酸酯分散液。

由上述水性聚氨酯丙烯酸酯分散液制备木器漆，其工艺为：

1、称取4kg纳米二氧化硅和2kg纳米氧化铝加入到11kg乙氧基化三羟甲基丙烷(15EOTMPA)中，在1000r/min的转速下分散均匀；

2、将58kg水性聚氨酯丙烯酸酯分散液投入分散缸中，在800-1000r/min的转速下，先加入步骤(1)的分散液，再依次加入3kg硅烷偶联剂KH-550、6kg光引发剂Darocur 1173、3kgN，N-二甲基甲酰胺、12kg去离子水、0.1kg润湿剂Tego-270、0.3kg消泡剂Tego-270和0.6kg流平剂BYK-349，分散25分钟至均匀，即制得水性紫外固化木器漆的成品。

实施例2

聚氨酯丙烯酸酯的制备

1、在干燥的氮气保护下，将97.4g异佛尔酮二异氰酸酯投入到500ml三口烧瓶中，在300r/min均匀搅拌下，向烧瓶中滴加126g聚醚PPG-400，滴加完成后，升温到70℃，反应时间3h。

2、再加入19g二羟烷基羧酸，升温至86℃，由于二羟烷基羧酸是固体，反应进行的比较慢，加入0.023g催化剂二月桂酸二丁基锡，反应至二羟烷基羧酸小颗粒消失后，降温至50℃。

3、加入0.023g催化剂二月桂酸二丁基锡和0.021g阻聚剂对苯二酚，混合均匀后，逐渐滴加77g丙烯酸羟基乙酯，之后升温至80℃，反应时间3h。

4、使用红外分析-NCO游离质量分数，当含量为0.1％左右时，反应基本完成。

5、降温至室温，在搅拌下加入AMP-95，调节pH值为6-7，加入142g去离子水，搅拌后得到水性聚氨酯丙烯酸酯分散液。

由上述水性聚氨酯丙烯酸酯分散液制备木器漆，其工艺为：

(1)称取3kg纳米二氧化硅和3kg纳米氧化铝加入到20kg乙氧基化三羟甲基丙烷(15EOTMPA)中，在800r/min的转速下分散均匀；

(2)将43kg水性聚氨酯丙烯酸酯分散液投入分散缸中，在800-1000r/min的转速下，先加入步骤(1)的分散液，再依次加入4kg硅烷偶联剂KH-560、3kg光引发剂Darocur 1173、9kgN，N-二甲基甲酰胺、14kg去离子水、0.3kg润湿剂Tego-270、0.2kg消泡剂Tego-270和0.6kg流平剂BYK-349，分散30分钟至均匀，即制得水性紫外固化木器漆的成品。

实施例3：

聚氨酯丙烯酸酯的制备

1、在干燥的氮气保护下，将50.5g异佛尔酮二异氰酸酯投入到500ml三口烧瓶中，在400r/min均匀搅拌下，向烧瓶中滴加56g聚醚PPG-400，滴加完成后，升温到65℃，反应时间4h。

2、再加入6g二羟烷基羧酸DHAO，升温至80℃，由于DHAO是固体，反应进行的比较慢，加入0.015g催化剂二月桂酸二丁基锡，反应至二羟烷基羧酸小颗粒消失后，降温至50℃。

3、加入0.015g催化剂二月桂酸二丁基锡和0.017g阻聚剂对羟基苯甲醚，混合均匀后，逐渐滴加40g丙烯酸羟基乙酯，之后升温至75℃，反应时间4h。

4、使用红外分析-NCO游离质量分数，当含量为0.1％左右时，反应基本完成。

5、降温至室温，在搅拌下加入AMP-95，调节pH值为6-7，加入110g去离子水，搅拌后得到水性聚氨酯丙烯酸酯分散液。

由上述水性聚氨酯丙烯酸酯分散液制备木器漆，其工艺为：

(1)称取2kg纳米二氧化硅和5kg纳米氧化铝加入到13kg乙氧基化三羟甲基丙烷(15EOTMPA)中，在800r/min的转速下分散均匀；

(2)将47kg水性聚氨酯丙烯酸酯分散液投入分散缸中，在1000r/min的转速下，先加入步骤(1)的分散液，再依次加入5kg硅烷偶联剂KH-560、4kg光引发剂Darocur 1173、6kgN，N-二甲基甲酰胺、18kg去离子水、0.2kg润湿剂Tego-270、0.5kg消泡剂Tego-270和0.3kg流平剂BYK-349，分散20分钟至均匀，即制得水性紫外固化木器漆的成品。

由表1可以看出，本发明所制作的木器漆比市售产品具有明显的优越性，固含量高，干燥速度快，并且硬度有了明显的提高。本发明所制作的木器涂料耐水性、耐醇性等性能都比较好，而且通过添加纳米材料有效改善了漆膜的硬度，与传统的水性木器涂料相比，该涂料除具有水性木器涂料环保的优点外，由于是采用紫外光固化，其固化速度快，且不影响涂膜的其他性能，可适应大型家具企业自动化快速生产的需要。

表1紫外光固化水性木器漆与市售产品性能对比

Claims (8)

1.一种紫外光固化水性木器漆，其特征在于，以重量百分比计，其原料组成为：

聚氨酯丙烯酸酯      43-58％

光引发剂            3-6％

水溶性稀释剂        11-20％

水溶性助溶剂        3-9％

润湿剂              0.1-0.3％

流平剂              0.3-0.6％

消泡剂              0.2-0.5％

硅烷偶联剂          3-5％

纳米氧化铝          2-5％

纳米二氧化硅        2-4％

去离子水            12-18％

所述光引发剂为Darocur 1173、Darocur 2959、Irgacure 184、WB-4784或WB-4792；

所述水溶性稀释剂为12个乙氧基以上的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯；

所述水溶性助溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、乙醇、正丁醇或丙二醇乙醚；

所述硅烷偶联剂为KH-550或KH-560；

所述的聚氨酯丙烯酸酯通过如下方法制备：在氮气保护状态，200-400r/min均匀搅拌下，将27-37％的聚醚PPG-400滴加至21-27％异佛尔酮二异氰酸酯中，升温至65-70℃，反应2-4h，再加入3.1-4.2％的二羟烷基羧酸，升温至80-86℃，反应3-4h后加入0.1％催化剂，反应至二羟烷基羧酸小颗粒消失后，降温至50℃左右；加入重量百分比为0.01-0.016％的催化剂和0.005-0.009％阻聚剂，逐渐滴加16-21％的丙烯酸羟基乙酯并升温至75-80℃，当-NCO游离质量含量为0-0.5％时，反应完成；降温至室温，在搅拌下加入中和剂调节pH值为6-7，再加20-30％的去离子水，得到水性紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯乳化液；所述催化剂为二月桂酸二丁基锡；阻聚剂为对羟基苯甲醚或对苯二酚；中和剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇。

2.根据权利要求1所述的紫外光固化水性木器漆，其特征在于，所述的润湿剂为Tego-270。

3.根据权利要求1所述的紫外光固化水性木器漆，其特征在于，所述的流平剂为BYK-349。

4.根据权利要求1所述的紫外光固化水性木器漆，其特征在于，所述的消泡剂为BYK-028。

5.根据权利要求1所述的紫外光固化水性木器漆，其特征在于，所述的光引发剂为Darocur 1173。

6.根据权利要求1所述的紫外光固化水性木器漆，其特征在于，所述的水溶性助溶剂为N，N-二甲基甲酰胺。

7.根据权利要求1所述的紫外光固化水性木器漆，其特征在于，所述的水溶性稀释剂为乙氧基化三羟甲基丙烷。

8.权利要求1所述的紫外光固化水性木器漆的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将纳米二氧化硅和纳米氧化铝加入到水溶性稀释剂中，搅拌下分散均匀；

(2)将分散液体加入聚氨酯丙烯酸酯中，搅拌分散均匀；

(3)搅拌下，依次加入硅烷偶联剂、光引发剂、水溶性助溶剂、去离子水、润湿剂、消泡剂、流平剂，分散20-30分钟，即得紫外固化水性木器漆。