微波干燥在聚氨酯水性木器涂料中的应用

蔡佳斌,施国萍,陈珀丽 (拜耳材料科技贸易(上海)有限公司聚合物研发中心)
   摘要：阐述了微波加热干燥的原理,以及微波干燥聚氨酯水性木器涂料的优势,研究和分析了微波干燥在单组分和双组分聚氨酯水性木器涂料中的应用。
   关键词：微波干燥；聚氨酯；水性木器涂料
   0引言
   水性木器涂料和传统溶剂型木器涂料的最大区别在于所使用的稀释剂不同。溶剂型木器涂料使用较易挥发的有机溶剂,水性木器涂料则是用水作为稀释剂,因此水性木器涂料的干燥更易受到环境温度和湿度的影响。为了避免不同地域、不同季节温度和湿度的影响,早在1993年欧洲工业界就开始了微波干燥水性木器涂料的研究。经过10多年的研究和优化,到2007年全球已有300多条微波干燥生产线成功应用于几十家公司的工业水性涂料生产,并且这一数字还在不断地增长[1]。本文阐述了微波在干燥水性木器涂料上的优势,研究了微波干燥对于单组分和双组分水性木器涂料的性能和涂膜组成的影响。
   1水性木器涂料的干燥
   1.1传统干燥方式
   水性木器涂料由于使用水作为分散介质,使得其干性较溶剂型木器涂料更易受到温度和湿度的影响。当遇到低温或潮湿的天气时,涂料施工人员普遍采用的就是热风干燥和红外加热干燥,但是这两种强制干燥方式对于水性木器涂料都存在一定的缺陷。热风干燥的特点是设备投入较简单,但是在于对底材和湿膜的加热速度较慢,这就延长了整个干燥过程所需要的时间；并且施工情况和外界环境因素的改变也易引起干燥效果的变化,如涂膜的厚度、空气的湿度以及热风的温度等。红外加热干燥相比热风干燥来能够缩短整个干燥过程；但是会产生明显的温度梯度,它的干燥是由表面向内部延伸的,这就使得它不适合用于干燥较厚的涂膜；红外干燥只能加热红外线能够照射到的区域,不能用来干燥立体的物件，并且红外干燥对于能量的消耗也较大[1]。
   1.2微波干燥
   从1946年微波的发现到1947年第一台微波炉的发明,开创了食物加热的新方式[2]。在过去的10多年里微波被广泛地应用于许多工业加热领域。1993年,意大利的GIARDINA率先开始了微波干燥水性木器涂料的研究,经过多年的改进和创新,完善了微波干燥水性木器涂料的工艺,使得微波干燥成为一种高效的水性木器涂料干燥方法[1]。微波是指波长为1mm～1m,频率为300MHz～300GHz,具有穿透性的电磁波,常用的微波频率为915～2450MHz。微波加热利用的是介质损耗的原理,而水的介电常数比干物质大得多,电磁场释放能量的绝大部分被涂料中的水分吸收。微波场以每秒几亿次的高速周期性地改变外加电场的方向,使水分子迅速摆动,产生显著的热效应,从而使涂料内部和表面的温度同时迅速升高[3-4]。微波干燥的优点在于干燥速度特别快[5]；不同的物质对于微波具有选择性吸收；对于被干燥物件没有形状要求；对于涂膜的加热很平均,不存在温度梯度,可以干燥厚膜；能源的利用率高。通常,微波干燥设备的能耗在8～12kW,而达到同样脱水能力的红外干燥设备的能耗则要达到60～150kW[2-6]。经研究,对于水分子,频率2450MHz的微波具有最佳的能量转化和损耗的平衡。该频率的微波可以穿透30mm厚度的水层,所以可以用来干燥木器涂装各种膜厚的水性涂膜[6]。
　　2试验部分
   2.1试验材料、设备和干燥条件
   2.1.1试验材料
   BayhydrolXP2593/1(水性聚氨酯分散体)、BayhydrolXP2470(水性羟基丙烯酸二级分散体)、BayhydurXP2655(脂肪族亲水性聚异氰酸酯),拜耳材料科技；BYK022、BYK346、BYK028,毕克助剂;Tegowet280,Evonik;乙二醇丁醚,国药集团。
   2.1.2微波干燥设备
   10m微波干燥机,上海引明机械设备有限公司；微波频率;(2450±50)MHz；
   微波功率：10kW(0.85kW×12)；输出形式：矩形波导；电耗：<15kW。
   2.1.3干燥条件
   室温干燥：20℃,60％相对湿度；
   烘箱加热干燥：45℃烘烤6min后室温干燥;
   微波干燥：3.4kW微波干燥6min后室温干燥。
   2.2微波干燥下单组分水性木器涂料
   2.2.1配方(见表1)
表1 单组分聚氨酯水性木器涂料配方
   2.2.2试验步骤
   依照表1所示单组分聚氨酯水性木器涂料配方配制样漆,喷涂施工3块样板,分别称出施工于各样板的涂膜重量,再分别采用室温干燥、45℃烘箱加热和微波干燥3种不同干燥方式,各干燥1块样板,干燥6min之后测试各板涂膜的重量损失,然后3块样板放置于室温条件下继续干燥。此后相隔一段时间称取一次重量。以每次称重后涂膜重量的减少来表征涂膜中水分脱除的速度。室温养护2周后测试涂膜最终性能,测试方法参考室内用水性木器涂料标准HG/T3828-2006。
   2.2.3除水效果
   从图1中可以看到微波干燥方式对于涂膜中水分挥发速度的影响非常显著。在经过微波干燥之后水性涂膜中的水分脱除了90％,而同样时间内烘箱加热干燥则只能脱除总水分的约50%。微波干燥后涂膜立即达到了实干,可以进行打磨,能够叠放、包装。
图1 不同干燥条件下聚氨酯水性木器涂料的水分挥发速度
2.2.4微波干燥下单组分水性木器涂料的性能比较(见表2)
表2 单组分聚氨酯水性木器涂料性能测试
   注：*：具体测试方法参考室内用水性木器涂料标准HG/T3828-2006,室温养护2周后测试涂膜性能耐化学品测试结果：0-好,5－差。
   **:烘箱干燥6min后室温放置9min。
   微波干燥在快速脱水的同时没有影响到乳液颗粒的融合、成膜,最终涂膜的性能没有受到影响。
   2.3微波干燥下双组分水性木器涂料
   随着多元醇分散体合成技术和聚异氰酸酯改性技术的发展,双组分聚氨酯水性木器涂料的性能得到了长足的进步,在性能上已经完全可以和传统溶剂型双组分聚氨酯木器涂料相媲美。但是现在阻碍其发展的最主要问题还是双组分聚氨酯水性木器涂料对于施工条件的要求相比单组分来得更加严格。双组分水性聚氨酯涂料主要的反应是聚异氰酸酯与多元醇组分上羟基的活泼氢反应,生成以氨基甲酸酯为特征结构的聚氨酯,其反应可以表示如下：
微波干燥在聚氨酯水性木器涂料中的应用
   由于双组分聚氨酯水性涂料里有大量的水分存在,所以异氰酸酯会与水反应生成不稳定的氨基甲酸,很快分解生成胺和二氧化碳,反应过程表示如下:
微波干燥在聚氨酯水性木器涂料中的应用
   若在过量异氰酸酯存在下,所生成的胺会与异氰酸酯继续反应生成脲,反应过程表示如下：
微波干燥在聚氨酯水性木器涂料中的应用
     水与异氰酸酯的反应略慢于仲醇,但比脲要快[7]。从表3中可以看出常温条件下涂膜中有大量的脲键存在,随着水分挥发速度的加快以及反应速度的加快,涂膜中氨酯键的比例会极大地得到增加。脲键也能提供交联,但是这是我们配方设计计算中希望能尽量避免的,高比例过量的n(-NCO)：n(-OH)会增加生产成本[9]。
表3 双组分聚氨酯水性涂料中异氰酸酯反应的产物[8]
   双组分聚氨酯水性木器涂料的干燥主要分两个阶段：第一阶段为水和少量成膜助剂的挥发；第二阶段则是树脂和固化剂的化学反应。如果干燥条件不利于水分快速挥发,则会造成大量的水分与聚异氰酸酯竞争反应,从而使涂膜中产生气泡。CO2的产生还会降低体系的pH值,导致聚集粒子收缩,如果挥发物蒸出前有太多反应,可能会发生分散粒子的不完全聚结[9]。伴随着交联反应的进行,体系的分子量在加大,黏度在升高,这时产生的泡是非常难脱除的,影响最终涂膜的外观。
   2.3.1配方(见表4)
表4 双组分聚氨酯水性木器涂料配方
   2.3.2试验步骤
   依照表2配方配制双组分聚氨酯水性木器涂料,制得n(-NCO)∶n(-OH)分别为2.2和1.7的漆样,喷涂施工后分别进行室温干燥和微波干燥,测试干燥时间、硬度和耐化学品性。
　　2.3.3不同干燥条件下双组分聚氨酯水性木器涂料的性能比较(见表5)
表5 不同干燥条件下双组分聚氨酯水性木器涂料的性能比较
   *具体测试方法参考室内用水性木器涂料标准HG/T3828-2006,室温养护2周后测试涂膜性能耐化学品测试结果：0-好,5－差。
   **:微波干燥6min后室温放置4min。
   微波干燥：3.4kW微波干燥6min;
   室温干燥：20℃,60％相对湿度。
   微波干燥可以明显加快水分的挥发,减少异氰酸酯和水的副反应。且微波干燥的涂膜硬度要高于室温干燥的涂膜,甚至较少异氰酸酯用量n(-NCO)∶n(-OH)=1.7的涂膜微波干燥后其硬度高于室温干燥下异氰酸酯用量n(-NCO)∶n(-OH)=2.2的涂膜硬度。
   3结论
   微波干燥具有环保、高效、节能的特点。对单组分或双组分聚氨酯水性木器涂料,都能大幅加快水分的挥发,从而避免不同气候、不同空气湿度对聚氨酯水性木器涂料的施工的影响。对于单组分聚氨酯水性木器涂料,微波干燥后的涂膜可以立即打磨和包装处理,从而大幅缩短每道工艺所需要的时间,极大地提高了生产效率。微波干燥双组分聚氨酯水性木器涂料可以缩短涂膜表干时间,提高涂膜的硬度,在涂膜耐溶剂性能要求不高的情况下可适量减少固化剂的用量达到高硬度要求,从而达到降低成本的目的。

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