0 前 言
水性双组分聚氨酯涂料兼具优良的物理机械性能和水性涂料环境友好的双重特点，被广泛应用于木器、金属、塑胶等涂装领域。但水性双组分聚氨酯木器涂料性能相比传统溶剂型双组分木器涂料仍有很大差距，主要体现在硬度、耐划伤、耐水性等方面。水性双组分木器涂料的主要成膜物分散或乳化在水相中，而且制备水性涂料时使用了大量亲水性助剂，令水性木器涂料的耐水性始终不够理想。总结起来，涂膜耐水性包括早期耐水性、长期耐水性、耐水白性、耐水白恢复性、耐沸水性等。这既是对水性木器涂料耐水性的全面考核，也是对显示使用环境的模拟。虽然水性木器涂料在耐水性方面无法跟溶剂型涂料媲美，但是随着消费者环保意识的增强，水性木器涂料的应用范围不断扩大。因此，我们必须认真研究一下水性木器涂料的耐水性能。
1 实验部分
1.1 主要原材料及仪器设备
主要原材料：水性羟基丙烯酸乳液、水性羟基丙烯酸分散体：科思创、帝斯曼、巴斯夫、万华、自制；异氰酸酯固化剂：科思创、巴斯夫、罗地亚、万华、联固、冠志；消光粉：赢创；成膜助剂、润湿分散剂、消泡剂、流平剂、增稠剂、杀菌剂等：市售。
主要仪器设备：BGD516/3光泽仪；STM-Ⅳ斯托默黏度计；VFS-30分散机：新明星机械等。
1.2 实验方案
1.2.1 水性双组分聚氨酯哑光清面漆的制备根据表1配方制备水性双组分聚氨酯哑光清面漆主剂(A组分)待用。
注：X、Y分别表示哑粉和成膜助剂添加量，可根据涂料配方设计需要确定具体添加量。
按原料配方比例依次加入乳液、哑粉、消泡剂、高速分散(1 000～1 400 r/min)15 min。调节分散速度至中速分散(800～1 000 r/min)依次加入助剂和水，用增稠剂调节涂料黏度达配方要求。
1.2.2 耐水性测试涂膜制备
按照n(—NCO)∶n(—OH)＝1.2的比例配制水性双组分聚氨酯木器涂料，在低速分散500～700 r/min状态下将固化剂缓慢加入主剂(A组分)中，同时加入适量去离子水调节涂料黏度至(55±3) KU，继续分散3～5 min。将配好的双组分涂料静置15 min。在干燥的全封闭清底漆板材上，以150 g/m2的涂布量，喷涂一遍配好的水性双组分哑光清面漆。然后在温度(25±2)℃、相对湿度(50%±5%)条件下养护涂膜。
1.3 涂膜耐水性测试方法
常温耐水性测试：按照GB/T 4893.1—2005规定进行。测试24 h后取下滤纸，吸干试剂，立即观察。
耐沸水性测试：按常温耐水性测试及评价方法进行，试液为沸水，实验过程任其自然冷却，取下滤纸，吸干试剂，立即观察。
耐沸水性测试：按常温耐水性测试及评价方法进行，试液为沸水，实验过程任其自然冷却，取下滤纸，吸干试剂，立即观察。
2 结果与讨论
2.1 水性羟基丙烯酸分散体、水性羟基丙烯酸乳液耐水性对比
分别取羟值含量为1.5%～1.6%的水性羟基丙烯酸分散体和水性羟基丙烯酸乳液作为成膜物质，制备水性双组分聚氨酯哑光清面漆主剂(A组分)，以亲水性脂肪族聚异氰酸酯(HDI)作固化剂，以n(—NCO)∶n(—OH)＝1.2配制水性双组分聚氨酯木器涂料，并制备测试涂膜，常温养护。测试涂膜耐水性和耐沸水性发现：水性羟基丙烯酸分散体为成膜物质的双组分聚氨酯清面漆耐水和耐沸水性好于水性羟基丙烯酸乳液制备的清面漆。制备涂料时添加提高涂膜亲水性的高HLB值的助剂、消光粉、成膜物质中的乳化剂、亲水性基团等都会对涂膜耐水性产生影响。在使用水性羟基丙烯酸分散体和水性羟基丙烯酸乳液制备双组分木器清面漆时使用了相同种类和用量的助剂和消光粉，高HLB值助剂、二氧化硅造成的涂膜表面孔隙率以及二氧化硅表面硅醇键亲水性对终涂膜耐水性带来的影响效果相同。
除成膜物质中乳化剂对涂膜终耐水性的影响以外，水性双组分涂料的成膜过程也会对涂膜耐水性产生很大影响。水性双组分聚氨酯涂料的成膜过程包含多元醇和异氰酸酯粒子的共凝结、多元醇与异氰酸酯反应、异氰酸酯与水反应的复杂动态反应，其中多元醇与异氰酸酯的反应对涂膜耐水性等主要性能影响大。另外，从微观角度来看，水性羟基丙烯酸分散体的分子粒径小于水性羟基丙烯酸乳液，粒径小的羟基丙烯酸分散体与异氰酸酯接触的表面积更大，—OH与—NCO反应的比例高、速度快，水消耗的—NCO基团相对少。相同条件下水性羟基丙烯酸分散体做成膜物质为涂膜提供了更好的耐水性。
作为水性双组分聚氨酯木器涂料的一个组分，固化剂的选择势必对涂膜终性能产生很大影响。选择羟值含量1.6%的水性羟基丙烯酸分散体作为成膜物质。分别以亲水性脂肪族聚异氰酸酯和疏水性HDI三聚体作为固化剂，n(—NCO)∶n(—OH)为1.2，制备水性双组分聚氨酯哑光清面漆主剂(A组分)。加入10%去离子水，配制水性双组分聚氨酯木器涂料，并制备测试涂膜，常温养护，测试原漆黏度、涂膜耐水性、表干时间、涂膜透明度、光泽。涂膜测试结果如表2。
表2可以看出，使用疏水性HDI作为固化剂的涂膜耐水性理想，特别是涂膜常温养护24 h之后的耐水性明显优于使用亲水性多异氰酸酯固化剂的涂膜。同时使用疏水性固化剂对原漆体系黏度影响小，涂膜同时表现出干燥时间短、光泽低、透明度低等特征。固化剂疏水性越强，与同处于连续相水性中的羟基分散相混合性越差，涂膜光泽表现越低，透明度越差。—NCO基团亲水性越强，固化剂对主剂黏度影响越大，加入等量的去离子水，疏水性固化剂对体系黏度影响更小。测试亲水性和疏水性固化剂对双组分涂料干燥速率的影响：将主剂(A组分)与固化剂(B组分)混合后，称取20 g涂料制成150 μm厚涂膜，放置于恒温35 ℃烘箱中，每隔10 min测量余重，连续测定60 min，以测定不同干燥时间的涂膜余重对时间做图，如图1。可以看出疏水性固化剂配制的涂料随时间变化余重变化快，质量损失大，溶剂水的挥发速率快，涂膜干燥速度快。被包裹在多元醇粒子中与水隔离，被多元醇乳化。因多元醇对疏水性多异氰酸酯的乳化性能，使疏水性固化剂易于分散于水相中。
表2可以看出，使用疏水性HDI作为固化剂的涂膜耐水性理想，特别是涂膜常温养护24 h之后的耐水性明显优于使用亲水性多异氰酸酯固化剂的涂膜。同时使用疏水性固化剂对原漆体系黏度影响小，涂膜同时表现出干燥时间短、光泽低、透明度低等特征。固化剂疏水性越强，与同处于连续相水性中的羟基分散相混合性越差，涂膜光泽表现越低，透明度越差。—NCO基团亲水性越强，固化剂对主剂黏度影响越大，加入等量的去离子水，疏水性固化剂对体系黏度影响更小。测试亲水性和疏水性固化剂对双组分涂料干燥速率的影响：将主剂(A组分)与固化剂(B组分)混合后，称取20 g涂料制成150 μm厚涂膜，放置于恒温35 ℃烘箱中，每隔10 min测量余重，连续测定60 min，以测定不同干燥时间的涂膜余重对时间做图，如图1。可以看出疏水性固化剂配制的涂料随时间变化余重变化快，质量损失大，溶剂水的挥发速率快，涂膜干燥速度快。被包裹在多元醇粒子中与水隔离，被多元醇乳化。因多元醇对疏水性多异氰酸酯的乳化性能，使疏水性固化剂易于分散于水相中。
异氰酸酯固化剂与多元醇的反应在混合后立即发生，而固化剂与水的反应速度因固化剂的种类不同而存在差别，另外溶剂水在不同的固化剂配制的涂料体系中挥发速率不同。由图1可知，使用亲水性多异氰酸酯固化剂时水的挥发速率较慢，由于亲水性固化剂在连续相水相中良好的分散性，亲水固化剂与水的反应在多元醇与固化剂混合后很快发生，固化剂很快开始被水消耗，使水性羟基丙烯酸分散体中的多元醇无法与固化剂反应完全。相反当使用疏水性固化剂时，固化剂分散后被在多元醇乳化包裹在内部，与水相隔离。待羟基组分与固化剂反应完后，—NCO基团才会开始与水的反应。相对于亲水性固化剂，使用疏水性固化剂可以令—NCO和主剂中的多元醇反应更完全，同时减少—NCO与水的副反应。故使用疏水性固化剂得到的涂膜在养护24 h后耐水性表现优异，其涂膜硬度也优于使用亲水性固化剂。
2.3 不同羟基含量的水性丙烯酸分散体的耐水性
分别取羟值含量为3.9%、3.6%、2.5%、1.6%、1.5%、1.0%的水性丙烯酸分散体做成膜物质，制备水性双组分聚氨酯哑光清面漆主剂(A组分)，配以疏水性固化剂，n(—NCO)∶n(—OH)为1.2，配制水性双组分聚氨酯木器涂料，并制备测试涂膜，常温养护涂膜。测试耐疏水性固化剂与含多元醇的主剂混合分散后，会水性后立即观察，测试结果如表3。
由表3可以看出，随羟值含量降低，涂膜养护初期(24 h)耐水性逐渐提高。因为高羟基含量的水性丙烯酸分散体，在涂膜养护初期，—OH无法完全反应，涂膜耐水性表现差。当涂膜养护7 d后，—OH与—NCO反应完全，涂膜耐水性得到很大提高。当使用羟基含量为1.5%～1.6%的低羟水性丙烯酸分散体作为成膜物质时，涂膜的初期耐水性和养护7 d耐水性同样表现优异无差别。当使用低羟基含量仅1.0%的水性丙烯酸分散体做成膜物质，涂膜耐水性始终表现较差，因羟基含量过低，水性双组分聚氨酯涂料聚合度低，涂膜性能表现差。
3 结 语
(1)使用亲水性异氰酸酯固化剂，分别以低羟基含量的水性羟基丙烯酸分散体和水性羟基丙烯酸乳液为主要成膜物。水性羟基丙烯酸分散体制备涂膜表现出的耐水性和耐沸水性优于水性羟基丙烯酸乳液。
(2)以羟基含量为1.6%的低羟基含量的水性羟基丙烯酸分散体为主要成膜物，取n(—NCO)∶n(—OH)＝1.2，使用疏水性固化剂比使用亲水性固化剂获得的涂膜耐水性更好。同时使用疏水性固化剂，涂膜表干时间、硬度表现更理想，但涂膜光泽和透明度稍差。
(3)使用羟基含量为1.5%～1.6%的低羟水性丙烯酸分散体做成膜物质时，涂膜初期耐水性表现非常优异。使用高羟水性丙烯酸分散体，涂膜初期耐水性表现较差，随养护时间延长，涂膜终耐水性良好。
