UV固化水性木器涂料的性能及影響因素分析

成綿江

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東 順德 528300）

所謂木器涂料，就是指在木質(zhì)材料上應(yīng)用的涂料，涂料干燥所形成的涂膜具有保護(hù)木質(zhì)材料和增加美觀的作用。而紫外光固化水性涂料，即UV固化水性涂料，同時(shí)兼有揮發(fā)性有機(jī)化合物更低和快速固化的優(yōu)點(diǎn)，并能獲得高硬度、高柔韌性、抗化學(xué)性等一系列優(yōu)異的理化性能，是木器涂料的一個(gè)發(fā)展方向。當(dāng)然，紫外光固化水性涂料作為一種新的木器涂料，其的實(shí)用性等方面還未得到很好的證明，仍需在不斷的實(shí)踐中加以印證。基于此，本文就UV固化水性木器涂料的性能以影響因素進(jìn)行了分析，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

1 材料與方法

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

1.1 原料

在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中，均使用分析純?cè)噭次赐ㄟ^(guò)深入處理可直接使用的試劑。選用UVWC（PUA未改進(jìn)劑。UVWC的紅外光譜如以下圖1所示：其波數(shù)=3343cm-1時(shí)，則為 N-H伸縮振動(dòng)；波數(shù)=波數(shù)1724cm-1，為羰基特征吸收峰，而波數(shù)=1530cm-1，則為酰胺Ⅱ帶的N-H彎曲振動(dòng)，說(shuō)明產(chǎn)物中具有大量的氨基甲酸酯鍵；波數(shù)=1670cm-1，可出現(xiàn)C-C雙鍵的特征吸收峰。此外，-CH的特征吸收峰處有2930cm-1和1462cm-1。同時(shí)也能夠觀察到位于1049cm-1、1120cm-1的 C-O伸縮振動(dòng)以及位于1256cm-1的N-C-O伸縮振動(dòng)。

1.2 制備涂層

圖1 UVWC的FT-IR光譜

將基板進(jìn)行預(yù)處理，利用砂紙打磨，并將油除掉，涂底漆，通過(guò)烘箱將其烘干。于UVWC中加入適量的碳酸鈣，盡量將CaCO3/UVWC的質(zhì)量比控制在1:300～1:6左右，也就是將0.01～0.50g的碳酸鈣加入3.00gUVWC中，其比值>1:6，這樣碳酸鈣不會(huì)分散，若比值過(guò)小，則難以充分發(fā)揮改善性能的作用。然后攪拌混合均勻，并將其體系放入室溫下進(jìn)行1小時(shí)的超聲。之后通過(guò)馬達(dá)和壓力噴射（參照標(biāo)準(zhǔn)98PSI，Japan），沉積在100mm×100mm×5mm的木質(zhì)基板上，大約有60μm的涂層厚度；最后在UV固化機(jī)內(nèi)，把所得涂層實(shí)行輻射且固化成膜，為了達(dá)到更好的效果，則將UV燈盞數(shù)和干燥固化時(shí)間進(jìn)行有效控制，即干燥固化時(shí)間約為20～40分鐘，UV燈盞數(shù)為1～3盞即可。

1.3 方法

根據(jù)GB/T1732-93，涂層抗沖擊強(qiáng)度可通過(guò)漆膜沖擊力實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)量；而涂層附著力可依據(jù)GB/T1720-89且利用漆膜附著力實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于涂層硬度，可通過(guò)GB6739-86涂膜硬度鉛筆測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定；涂膜光澤度可由BGD512-60°型光澤度儀進(jìn)行測(cè)試。此外，在NEXUS-670光譜儀中進(jìn)行測(cè)試傅里葉轉(zhuǎn)變紅外光譜（FT-IR）。樣品200～1000nm波段的光譜性質(zhì)可選用UV-3600型UVVis-NI R分光光度計(jì)進(jìn)行表征。

此外，在UVWC改性過(guò)程中，存在多種影響因素，即CaCO3的量、UV燈盞數(shù)、干燥時(shí)間，正交實(shí)驗(yàn)將上述三個(gè)因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化之后，能夠獲得更好的涂層力學(xué)性能。各種不同因素對(duì)涂層力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)可以利用3因素2水平L4（23）正交試驗(yàn)給予驗(yàn)證。在具體正交實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將CaCO3/UVWC的質(zhì)量比（A）控制在1:30～1:6；同時(shí)以20～40min為干燥時(shí)間（B）；1～3盞為UV燈盞數(shù)（C）。每個(gè)因素可設(shè)兩個(gè)水平，即因素A是1:30、1:6；因素B是20min、40min；因素C是3盞、1盞。

2 結(jié)果

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖2 CaCO3/UVWC質(zhì)量比與UVWC光澤度之間的關(guān)系

圖3 添加CaCO3后UVWCUV-Vis光譜

在正交試驗(yàn)過(guò)程中，將三個(gè)因素對(duì)UVWC附著力產(chǎn)生的極差R值進(jìn)行比較后，可知其附著力沒(méi)有受到UV燈盞數(shù)（因素C）的影響，因此，以節(jié)能角度而言，則可選擇1盞UV燈。而因素A及因素B對(duì)其附著力可產(chǎn)生影響。試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化顯示：1:6為CaCO3/UVWC的質(zhì)量比，20min為干燥時(shí)間，1盞為UV燈盞數(shù)。此外，從表1中可看出，樣品1、2、4的UV固化水性木器涂層附著力均劣勢(shì)于樣品3，詳細(xì)數(shù)據(jù)如下表1所示：

2.2 獨(dú)立試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 CaCO3對(duì)UV固化水性木器涂層力學(xué)性能產(chǎn)生的影響

獨(dú)立試驗(yàn)的主要目的是研究碳酸鈣的關(guān)鍵作用。將UVWC干燥時(shí)間設(shè)置為20分鐘，采用1盞UV燈，通過(guò)改變CaCO3/UVWC的質(zhì)量比來(lái)研究碳酸鈣對(duì)UVWC力學(xué)性能的影響，即0、1:300、1:60、1:30、1:15、1:10、1:6等變化。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UVWC的硬度可受到CaCO3/UVWC質(zhì)量比的影響，當(dāng)CaCO3/UVWC的質(zhì)量比由0變化至1:10時(shí)，UVWC的硬度就由1H上升到3H。然而，這時(shí)候，未添加CaCO3的涂層硬度相對(duì)添加CaCO3的涂層硬度，處于劣勢(shì)。但是，涂層硬度隨著CaCO3/UVWC的質(zhì)量比增加而逐漸減少。此外，如果大量使用碳酸鈣，則會(huì)使其粒子間發(fā)生團(tuán)聚，并且分布不均或粒徑大，從而導(dǎo)致其成為應(yīng)力集中點(diǎn)，使硬度降低。由此可知，只有充分應(yīng)用滑石粉，才能夠?qū)VWC硬度進(jìn)行有效提高。當(dāng)CaCO3/UVWC的質(zhì)量比在1:30～1:10之間時(shí)，其硬度可達(dá)到最大，即為3H。

附著力隨著CaCO3/UVWC的質(zhì)量比不斷增加而增加，即從原來(lái)的2級(jí)增加至1級(jí)。當(dāng)CaCO3/UVWC的質(zhì)量比增加到1:6時(shí)，其附著力沒(méi)有太大的變化，這是因?yàn)橥繉觾?nèi)聚力及機(jī)械連鎖隨著碳酸鈣粒子數(shù)的增加而提高，進(jìn)而使附著力出現(xiàn)增加現(xiàn)象。為了全面了解和掌握涂層的疲勞行為，則需要進(jìn)行測(cè)試附著力，同時(shí)深入研究涂層的耐沖擊性能，目的是考查涂層表面的動(dòng)態(tài)加載能力。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CaCO3/UVWC的質(zhì)量比由0變化到1:30時(shí)，沖擊強(qiáng)度也從 10（kg·cm）變?yōu)?50（kg·cm）。 將 CaCO3/UVWC的質(zhì)量比繼續(xù)增加，則能夠確保UVWC具有良好的抗沖擊性能，不僅如此，也無(wú)涂層斷裂，這足以說(shuō)明附著力的良好性，為涂層具有較高抗沖擊性提供有力保障。

2.2.2 CaCO3對(duì)UV固化水性木器涂層光學(xué)性能影響

如圖2所示：光澤度可受到CaCO3/UVWC質(zhì)量比的影響。UVWC的光澤度與CaCO3/UVWC質(zhì)量比之間呈反比的關(guān)系，即CaCO3/UVWC質(zhì)量比增大，則UVWC的光澤度就低。當(dāng)CaCO3/UVWC的質(zhì)量比由0變化為1:6時(shí)，UVWC的光澤度就降低為3.3%。此外，CaCO3在UV固化木器涂料中屬于一種不溶物，在CaCO3/UVWC質(zhì)量比逐漸增加的情況下，碳酸鈣極易聚集，從而增加涂層表面的粗糙度，將UV固化木器涂層的光澤度進(jìn)行降低。據(jù)GB/T3324—2008《木家具通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)亞光的光澤度值小于35%時(shí)，則為亞光光澤度。然而，根據(jù)圖3所示：UV固化木器涂層在CaCO3/UVWC的質(zhì)量比>1:30時(shí)，具有亞光光澤度。

CaCO3改性后UVWC的UV-Vis光譜如圖3所示。在固化中，涂層吸收一定量的紫外光，即約200～360nm左右，說(shuō)明CaCO3改性UVWC之后，其所得涂層依然是通過(guò)吸收紫外光而固化的。

以CaCO3為改性劑，從而制備出良好的UVWC，即光澤度低、力學(xué)性能較佳。在很大程度上，CaCO3/UVWC的質(zhì)量比可直接決定UVWC的力學(xué)性能及光澤度。當(dāng)CaCO3/UVWC的質(zhì)量比為1:30～1:10的時(shí)候，其有20min的干燥時(shí)間，1盞中壓UV燈，3H的硬度，50（kg·cm）的沖擊強(qiáng)度，1級(jí)的附著力。當(dāng)CaCO3/UVWC的質(zhì)量比大于1:30時(shí)，則其光澤度小于35%，即屬于亞光的光澤度。當(dāng)CaCO3/UVWC質(zhì)量比于1:30～1:10之間時(shí)，則UV固化木器涂層的力學(xué)性能及亞光光澤度相對(duì)比較好，由此可見(jiàn)，UV固化木器涂層在工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，UV固化水性涂料作為一種新的木器涂料，還未得到廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步的了解有關(guān)方面的知識(shí)，本文就UV固化水性木器涂料的性能以影響因素進(jìn)行了分析，并結(jié)合一系列具體的試驗(yàn)研究，所得結(jié)果對(duì)推動(dòng)UV固化水性木器涂料的使用提供了有力的幫助，相信UV固化水性木器涂料在不久將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

[1]陳建華.新型UV固化木器涂料的合成及性能研究[J].化工時(shí)刊，2011（04）.

[2]劉國(guó)杰.UV固化水性木器涂料的性能及影響因素[J].中國(guó)涂料，2010（06）.