CN113817394B - 一种水性高光面漆及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水性高光面漆及其制备方法与应用，该涂料包括以下制备原料：水性紫外光固化聚氨酯树脂、基材润湿剂、助溶剂和光引发剂；所述水性紫外光固化聚氨酯树脂由水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ和水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ组成。本发明的水性高光面漆固化后的涂层应用于底涂时具有极佳的柔韧性，在保持高硬度的同时又兼具一定的耐弯折，拓展了涂层的应用场景。本发明的水性高光涂层对底涂具有极佳的层间附着，同时对底涂适应性广，在多种底涂上均可以保持较好的镜面流平效果。
Description
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，具体涉及一种水性高光面漆及其制备方法与应用。
背景技术
UV涂料是指在紫外光的照射下，涂料中的光引发剂吸收紫外光辐射能量后分裂成自由基，其分子外层电子发生跳跃,在极短的时间内生成活性中心，然后活性中心与树脂中的不饱和基团作用，引发光固化树脂和活性稀释剂分子中的双键断开,引发预聚物发生聚合、交联、接枝反应，在很短的时间内固化成网状高分子聚合物。由此使得UV涂料在数秒内由液态转化为固态，形成成膜物质；其固化速度快，固化后的涂膜硬度高、耐磨好，无需后续烘烤即可达到最佳性能，能耗低被广泛应用。
相关技术中喷涂型的高光UV涂料为溶剂型的UV涂料，VOC含量偏高，一般≥550g/L，即使低VOC的，一般都在450g/L～550g/L之间，为了降低VOC含量，往往使用了大量的单体来替代有机溶剂降低粘度；但单体的加入会降低硬度、耐化性等，不利于涂膜的表面性能，且单体毒害性比较大。
水性高光涂料的VOC值含量相对较低，具有较为广阔的应用前景；但将相关技术中的水性高光UV涂料应用在底涂上时，层间应力协调不佳，柔韧性不足，硬度偏高，导致测试百格时漆膜脆而崩，在实际应用时受到外力冲击时，涂层释放应力就会开裂至脱离底涂。同时，相关技术中水性高光UV涂料应用于底涂上时需要膜厚≥40μm以上镜面流平效果最佳，膜厚≤20μm涂层流平性不佳，往往会出现橘皮现象，无法形成镜面效果。
因此，需要开发一种水性高光面漆，该面漆制得的涂层的硬度高且抗冲击性能好。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种水性高光面漆，该面漆制得的涂层的硬度高且抗冲击性能好。
本发明还提供了上述水性高光面漆的制备方法。
本发明还提供了上述水性涂层，由上述水性高光面漆制备得到。
本发明还提供了上述水性涂层的制备方法。
本发明第一方面提供了一种水性高光面漆，包括以下制备原料：水性紫外光固化聚氨酯树脂、基材润湿剂、助溶剂和光引发剂；
所述水性紫外光固化聚氨酯树脂由水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ和水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ组成；
所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的粘度为10s～15s(Zahn-3#杯，25℃)；
所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ的官能度为2～3。
本发明的水性高光面漆与相关技术中的水性底涂(水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯或水性羟基丙烯酸树脂)搭配使用制得的水性涂层，涂层的硬度高且抗冲击性能好。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的粘度较低，施工时固体分可以≥45％，方便喷涂应用，同时具有较高的硬度的，应用于底涂上时提供附着力和高硬度性能。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ具有极佳的柔韧性能，耐弯折可以达到360°不开裂，与水性紫外固化聚氨酯Ⅰ搭配使用平衡了应用于底涂时应力过高和涂层脆硬等问题，即使受到合理的外力冲击，也不会导致涂层开裂，同时还可以保持较好的性能(流平和丰满度等表面效果、硬度，光泽和耐化学品性能)。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ和水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ经过紫外固化成膜后都具有极佳的镜面流平效果和丰满度，光泽≥90°以上，高光效果优异，应用于底涂时，能够快速流平于底涂表面，即使在较低的膜厚下仍然可以保持很好的镜面流平效果，不会因膜厚偏薄而导致底涂吸油出现橘皮现象。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ的官能度在2～3之间，能够保持较好的柔韧性、耐弯折和冲击。
根据本发明的一些实施方式，所述水性高光面漆，包括以下重量份数的制备原料：85份～90份的水性紫外光固化聚氨酯树脂；0.2份～0.5份的基材润湿剂；2份～5份的助溶剂；2份～4份的光引发剂和0份～5份的水。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的粘度为10s～15s(采用Zahn-3#杯在25℃测量)。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的官能度为4～8。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的官能度为6。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的pH≤7。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的pH为3～7。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的固含在50％以上。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的官能度在4～8之间可以保持较好的交联密度带来附着力、硬度、耐磨、耐化学性能。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的pH≤7，在弱酸性或中性环境下可以有利于稳定存储，且在施工过程中无需再次调节pH。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ固含在50％以上，在施工时较少次数的喷涂即可达到既定的膜厚；同时因固含较高，其VOC低。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ和所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ的质量比为4～1:1。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ包括湛新的IRR1089和五行化工的WU3604中至少一种。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ的粘度较低，施工时固体分可以≥45％，方便喷涂应用，同时具有较高的硬度的，应用于底涂上时提供附着力和高硬度性能。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ的固含在45％以上。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ的pH为3～6。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ的pH＜7，在酸性情况下可以有利于稳定存储，无需调节pH；
水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ的固含在45％以上，在施工过程中，在较少次数的喷涂即可达到既定的膜厚；同时因固含较高，其VOC低。
根据本发明的一些实施方式，所述水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ包括湛新的Ucecoat7210和五行化工的WU3202中的至少一种。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ具有极佳的柔韧性能，耐弯折可以达到360°不开裂，与水性紫外固化聚氨酯Ⅰ搭配使用平衡了应用于底涂时应力过高和涂层脆硬等问题，即使受到合理的外力冲击，也不会导致涂层开裂，同时还可以保持较好的性能(流平和丰满度等表面效果、硬度，光泽和耐化学品性能)。
水性紫外光固化聚氨酯Ⅰ和水性紫外光固化聚氨酯Ⅱ经过紫外固化成膜后都具有极佳的镜面流平效果和丰满度，光泽≥90°以上，高光效果优异，应用于底涂时，能够快速流平于底涂表面，即使在较低的膜厚下仍然可以保持很好的镜面流平效果，不会因膜厚偏薄而导致底涂吸油出现橘皮现象。
本发明的水性紫外固化聚氨酯树脂具有较高的交联密度，物理和化学性能优异，且对非UV底涂都具有极佳的附着力；同时树脂有较好的触变性，无需额外添加触变助剂也有较好的施工性，降低了引入触变助剂带来的存储后出现流平不佳的异常现象。
本发明的水性紫外固化聚氨酯树脂在搅拌时产生的泡沫较少，不会影响使用，同时在施工时，喷涂后的湿膜可以快速消泡，不会对干膜涂层产生气泡或者颗粒等外观异常。
根据本发明的一些实施方式，所述基材润湿剂为聚醚改性聚硅氧烷表面活性剂。
根据本发明的一些实施方式，所述聚醚改性聚硅氧烷表面活性剂的降低静态表面张力的等级为3级(参照ISO 4311-1979国际标准测试，国标GB/T 11278-1989)。
根据本发明的一些实施方式，所述聚醚改性聚硅氧烷表面活性剂为赢创化学的TegoWet270、赢创化学的Twin4100、桑井化工的ST-1070和桑井化工的ST-1075中的至少一种。
上述基材润湿剂的成份为聚醚改性聚硅氧烷表面活性剂，有效份为100％，具有优异的底涂润湿，在绝大多数底涂上都具有优异的润湿性和帮助整个水性高光面漆在底涂上保持极佳的表面镜面流平效果。与其它的聚醚改性聚硅氧烷表面活性剂相比，本发明使用的润湿剂不会因为底涂而引起涂层表面的长波流平不佳导致的橘皮，且本发明的润湿剂与水性紫外固化聚氨酯树脂有极佳的相容性和稳定性，存储后不会析出或出现相容性不佳导致对基材润湿效果减弱，因此有助于长时间的存储保持镜面流平和丰满度效果。
根据本发明的一些实施方式，所述引发剂选自1-羟基-环己基苯甲酮(CAS号：947-19-3)、2,4,6-三甲基苯甲酰基-乙氧基-苯基氧化膦(75980-60-8)、2-羟基-2-甲基-苯基丙酮(CAS号：7473-98-5)和苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(CAS号：162881-26-7)中的至少一种。
本发明的光引发剂在湿膜涂层进行紫外固化过程中快速固化树脂形成固态涂膜，本发明选用的光引发剂不会引起黄变，且兼顾吸收紫外光区不同波长的能力，使涂层固化的更全面和彻底，提升了涂层的耐温耐水性。
根据本发明的一些实施方式，所述助溶剂为丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚中的至少一种。
本发明的助溶剂对光引发剂具有较好的溶解性能，帮助引发剂更好的溶解在涂料中；同时助溶剂具有较慢的挥发速率，有利于湿膜的流平，提升涂层的镜面流平效果。
本发明第二方面提供了上述水性高光面漆的制备方法，包括以下步骤：
将所述光引发剂添加至所述助溶剂中溶解，制得光引发剂溶液；
将所述基材润湿剂、所述光引发剂溶液和水依次添加至所述水性紫外光固化聚氨酯树脂中，制得所述水性高光面漆。
根据本发明的一些实施方式，所述溶解的温度为60℃～80℃。
根据本发明的一些实施方式，所述水性高光面漆的制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述水性紫外光固化聚氨酯树脂在600rpm～800rpm的速度搅拌下分散3min～5min；
将所述光引发剂添加至所述助溶剂中，在60℃～80℃温度下加热溶解至所述光引发剂全部溶解，在400rpm～500rpm搅拌分散5min～10min，冷却后得光引发剂溶液；
S2、将所述基材润湿剂在800rpm～1000rpm搅拌速率下添加至步骤S1中处理后的水性紫外光固化聚氨酯树脂中，分散2min～3min，得水性紫外光固化聚氨酯树脂分散液；
S3、将所述光引发剂溶液添加至所述水性紫外光固化聚氨酯树脂分散液中，分散8min～10min后，再在400rpm～600rpm搅拌速率下添加水，分散8min～10min，即得。
本发明第三方面提供了一种水性涂层，制备原料包括上述的水性高光面漆。
根据本发明的一些实施方式，所述水性涂层，制备原料还包括底涂。
根据本发明的一些实施方式，所述水性涂层，制备原料还包括固化剂。
根据本发明的一些实施方式，所述水性涂层，制备原料还包括水。
根据本发明的一些实施方式，所述底涂、固化剂和水的质量比为100:9～11:18～22。
根据本发明的一些实施方式，所述底涂包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯和水性羟基丙烯酸树脂中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述底涂为湖南松井的黑色底涂WBB320-17972、卡秀万辉(无锡)高新材料公司的水性黑色底漆5820-500680和PPG公司的HGP92994WV-1中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述固化剂为湖南松井的WKW36024A。
本发明第四方面提供了上述水性涂层的制备方法，包括以下步骤：将所述底涂涂覆于基材表面，固化后；再将所述水性高光面漆涂覆于所述底涂表面，加热，光固化，即得。
根据本发明的一些实施方式，所述基材包括塑料基材。
根据本发明的一些实施方式，所述水性涂层的制备方法，包括以下步骤：
将所述底涂、所述固化剂和所述水混合后，涂覆于基材表面，在50℃～70℃烘烤30min～50min，冷却后；将所述水性高光面漆与水按照100:0～5的比例搅拌混合，喷涂于上述底涂表面，在60℃～70℃烘烤8min～12min后，在能量600mj/cm2～1000mj/cm2，光强90mw/cm2～125mw/cm2条件下经过UV紫外固化即可得到水性涂层。
根据本发明的一些实施方式，所述水性涂层应用于折叠屏手机或头戴式耳机。
根据本发明的至少一种实施方式，具备如下有益效果：
1、本发明的水性高光涂层与底涂间具有极佳的层间附着力(水性高光UV涂层中树脂成分与底涂中的树脂成分具有极佳的结合附着力)，同时对底涂适应性广，在多种底涂上均可以保持较好的镜面流平效果。
2、本发明的水性高光面漆固化后的涂层应用于底涂时具有极佳的柔韧性，在保持高硬度的同时又兼具一定的耐弯折，拓展了涂层的应用场景。
3、本发明的水性高光面漆VOC含量≤200g/L，极大的降低了对环境的污染，同时给使用者降低环保处理费用，节约了资源。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本发明实施方式中部分制备原料的性能如下：
湛新的IRR1089的主要性能数据如下：
官能度为6；固含为60％～65％；pH为3～5。
湛新的IRR1080的主要性能数据如下：
官能度为6；固含为60％～65％；pH为3～5。
湛新的Ucecoat 7210的主要性能数据如下：
官能度为3；固含为60％～65％；pH为3～5。
五行化工的WU3604的主要性能数据如下：
官能度为6；固含为50％～54％；pH为6～7。
五行化工的WU3202的主要性能数据如下：
官能度为2；固含为46％～50％；pH为5～6。
赢创化学的TegoWet270、赢创化学的Twin4100、桑井化工的ST-1070和桑井化工的ST-1070的降低静态表面张力的等级为3级(参照ISO 4311-1979国际标准测试，国标GB/T11278-1989)。
具体评级信息如下：
0级:降低静态表面张力的程度＜10％；
1级:降低静态表面张力的程度10％～20％；
2级:降低静态表面张力的程度20％～30％；
3级:降低静态表面张力的程度＞30％。
下面详细描述本发明的具体实施例。
实施例1
本实施例的水性高光面漆，由表1所示的制备原料制备得到：
表1本实施例的水性高光面漆的制备原料
实施例2
本实施例的水性高光面漆，由表2所示的制备原料制备得到：
表2本实施例的水性高光面漆的制备原料
对比例1
本对比例的水性高光面漆，由表3所示的制备原料制备得到：
表3本对比例的水性高光面漆的制备原料
对比例2
本对比例的水性高光面漆，由表4所示的制备原料制备得到：
表4本对比例的水性高光面漆的制备原料
对比例3
本对比例的水性高光面漆，由表5所示的制备原料制备得到：
表5本对比例的水性高光面漆的制备原料
本发明实施例1～2和对比例1～3中的水性高光面漆的制备方法：包括以下步骤：
S1、将水性紫外光固化聚氨酯树脂在700rpm的速度搅拌下分散4min；
将光引发剂添加至A组分的助溶剂中，在80℃温度下加热溶解至光引发剂全部溶解，在500rpm搅拌分散5min，冷却后得光引发剂溶液；
S2、将基材润湿剂在1000rpm搅拌速率下添加至步骤S1中处理后的水性紫外光固化聚氨酯树脂中，分散2min，得水性紫外光固化聚氨酯树脂分散液；
S3、将光引发剂溶液添加至水性紫外光固化聚氨酯树脂分散液中，分散10min后，再在500rpm搅拌速率下添加水，分散10min，即得。
利用本发明实施例1～2和对比例1～3中制得的水性高光面漆制备水性涂层的方法，包括以下步骤：
将湖南松井的黑色底涂WBB320-17972涂料(涂料的组成成分为水性丙烯酸树脂、羟基丙烯酸树脂和聚氨酯的混合物，质量比例为20:30:30)与固化剂WKW36024A(成分为异氰酸酯：丙二醇甲醚醋酸酯的质量比为80:20)和去离子水按照100：10：20调配后喷涂于塑胶基材表面，在60℃烘烤30min；冷却后，将上述实施例1～2和对比例1～3制得的水性高光面漆与去水按照100:2的质量比例搅拌混合，喷涂于上述底涂表面，在70℃烘烤12min后，在能量1000mj/cm2，光强125mw/cm2条件下经过UV紫外固化即可得到水性涂层。
本发明实施例1～2和对比例1～3中对应的水性高光面漆的性能测试方法如下：
VOC：参照GB 30981-2020中规定的扣水法；判断标准为：VOC≤200g/L。
粘度：Zahn-3#cup at 25℃；判断标准为：10～15。
施工时粘度：Zahn-3#cup at 25℃；判断标准为：10～13。
具体测试结果见表6。
表6本发明实施例1～2和对比例1～3中对应的水性高光面漆的性能结果
本发明实施例1～2和对比例1～3中对应的水性高光面漆，制得的水性涂层的性能测试方法如下：
附着力：测试方法为：百格法；判断标准为：附着力≥4B。
膜厚：测试方法为：千分尺膜厚片；判断标准为：膜厚为16μm～20μm。
流平：测试方法为：肉眼观察；判断标准为：无橘皮，镜面流平。
冲击：测试方法为：1kg*20cm冲击；判断标准为：涂层不开裂。
弯折：测试方法为：弯折45°；判断标准为：涂层不开裂。
硬度：测试方法为：铅笔硬度(500g力)；判断标准为：2H。
耐防晒霜：测试方法为：妮维雅SPF30++涂抹后，在65℃/90％RH条件下放置24h后观察涂层外观；判断标准为：涂层无起皱发胀、脱落，保持原有效果。
耐Windex清洁剂：测试方法为：Windex清洁剂涂抹后，在65℃/90％RH条件下放置24h后观察涂层外观；判断标准为：涂层无起皱发胀、脱落，保持原有效果。
具体测试结果见表7。
本发明实施例1～2和对比例1～3对应的水性涂层的性能测试结果
实施例1与对比例1比较，对比例1的IRR1089树脂与Ucecoat 7210树脂比例约为0.42：1(小于1:1)；IRR1089树脂与Ucecoat 7210树脂比例为25.5:59.5时，施工时黏度略微偏高，超出施工黏度标准；同时固化后的涂层硬度只有H，达不到标准2H的要求，因为Ucecoat 7210树脂是柔韧性好，涂层硬度较低；同时涂层的耐防晒霜和Windex清洁剂效果达不到标准要求。
实施例2与对比例2比较，对比例2的IRR1089树脂与Ucecoat 7210树脂比例为100:0，因为IRR1089树脂硬度太高，附着力测试时涂层会崩漆；导致附着力为3B，且冲击和弯折达不到要求。
实施例2与对比例2比较，对比例2的水性紫外固化聚氨酯树脂Ⅰ为湛新的IRR1080，该树脂黏度高，施工时粘度为14.1，且该树脂在低膜厚状态下无法达到流平效果，需要膜厚达到25μm以及以上才有较好的外观流平效果，而本发明的膜厚标准为16μm～20μm，所以在该标准下，涂层的外观轻微橘皮，其次因为IRR1080的树脂硬度太高，附着力测试时涂层会崩漆只有3B，且冲击和弯折达不到要求。
综上所述，本发明的水性高光面漆中的有机溶剂含量≤10％，施工时VOC含量≤200g/L，对环境比较友好；涂料本身粘度不高，添加5％以内的水就可以稀释至合适的喷涂粘度范围，不会降低涂膜的性能。本发明水性高光面漆应用在底涂上时，兼顾硬度与柔韧性的平衡，能保持2H的高硬度，同时测试百格时漆膜因坚韧而不会崩漆，涂层应力比较小，受到合理的外力冲击涂层不会开裂，拓展了水性高光面漆的应用场景。该水性高光面漆应用于底涂上时需要膜厚在16μm～20μm范围内保持完美的流平效果，固化后的涂层镜面效果较好，无橘皮现象，硬度同时还可以保持≥2H。
上面结合具体实施方式对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (9)
1.一种水性高光面漆，其特征在于：由以下重量份数的制备原料制备得到：85份~90份的水性紫外光固化聚氨酯树脂；0.2份~0.5份的基材润湿剂；2份~5份的助溶剂；2份~4份的光引发剂和0份~5份的水；
所述水性紫外光固化聚氨酯树脂由湛新的IRR1089和湛新的Ucecoat 7210以质量比为1:1混合组成或五行化工的WU3604和五行化工的WU3202以质量比为4:1混合组成。
2.根据权利要求1所述的一种水性高光面漆，其特征在于：所述基材润湿剂为聚醚改性聚硅氧烷表面活性剂。
3.根据权利要求1所述的一种水性高光面漆，其特征在于：所述光引发剂选自1-羟基-环己基苯甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-乙氧基-苯基氧化膦、2-羟基-2-甲基-苯基丙酮-1和双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)苯基氧化膦中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种水性高光面漆，其特征在于：所述助溶剂为丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚和二丙二醇丁醚中的至少一种。
5.一种制备如权利要求1至4任一项所述的水性高光面漆的方法，其特征在于：包括以下步骤：
将所述光引发剂添加至所述助溶剂中溶解，制得光引发剂溶液；
将所述基材润湿剂、所述光引发剂溶液和所述水依次添加至所述水性紫外光固化聚氨酯树脂中，制得所述水性高光面漆。
6.一种水性涂层，其特征在于：制备原料包括如权利要求1至4任一项所述的水性高光面漆。
7.根据权利要求6所述的一种水性涂层，其特征在于：制备原料还包括底涂。
8.根据权利要求7所述的一种水性涂层，其特征在于：所述底涂包括水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂和水性羟基丙烯酸树脂中的至少一种。
9.一种制备如权利要求7或8所述的一种水性涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将所述底涂涂覆于基材表面，固化后；再将所述水性高光涂料涂覆于所述底涂表面，加热，光固化，即得。
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