水性木器涂料在木塑復(fù)合基材上的應(yīng)用及性能評價

蔡延鵬，王仕峰

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

0 引言

木塑復(fù)合材料作為一種新型材料，在戶外園林、外墻板工程、露天桌椅、親水平臺等諸多建筑領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用[1]。木塑復(fù)合材料由于自身原料來源廣泛，可加工性強(qiáng)、材料本身機(jī)械性能優(yōu)異、耐久性好，同時也屬于新型的環(huán)保材料，使得其應(yīng)用領(lǐng)域日漸變廣[2]。

目前市場上用于建筑領(lǐng)域的木塑復(fù)合材料主要以聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）塑料原料與木粉、竹粉等材料復(fù)合為主。雖然木塑復(fù)合材料在相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)取得了推廣應(yīng)用，但現(xiàn)有的木塑復(fù)合材料本身仍存在密度大、安裝費用高、戶外耐久性較差、美觀度不足等缺點。同時由于目前木塑產(chǎn)品多數(shù)在戶外的應(yīng)用，戶外環(huán)境晝夜交替，季節(jié)變化導(dǎo)致溫度濕度的變化，太陽光照、風(fēng)吹雨淋、大氣污染物也都會對木塑材料造成嚴(yán)重的影響[3]。目前實踐與研究表明，木塑材料主要出現(xiàn)的問題有：材料在戶外使用一段時間后出現(xiàn)失光、褪色、變色，機(jī)械強(qiáng)度降低，材料受到真菌以及蟲蟻的侵蝕等，性能被破壞[4]。

針對木塑復(fù)合板材表面美觀度不足的情況，目前市售產(chǎn)品主要是對型材本身進(jìn)行相關(guān)改性，主要有木塑復(fù)合材料表面拉絲、仿木紋處理，型材表面印刷花紋處理，表面粘貼PVC木紋裝飾膜，木塑板材木皮貼皮處理等。而針對木塑型材表層涂刷保護(hù)涂層的相關(guān)應(yīng)用研究很少[5]?？紤]到目前環(huán)保的迫切性，水性涂料相對于傳統(tǒng)溶劑型涂料可對環(huán)境起到保護(hù)作用[6]。本研究主要選取現(xiàn)有的成熟的水性木器用涂料，對木塑復(fù)合材料表面進(jìn)行涂裝，能夠?qū)δ舅軓?fù)合材料進(jìn)行美化，同時研究了現(xiàn)有各類型水性木器涂料在木塑復(fù)合型材表面的附著性及對戶外使用性能的提升情況[7]。

1 試驗

1.1 主要原材料

（1）制備涂料原材料

自交聯(lián)丙烯酸乳液：ROSHIELD 3311，美國陶氏公司；含羥基的苯丙乳液：XK-102，荷蘭帝斯曼公司；羥基丙烯酸乳液：XK-540，荷蘭帝斯曼公司；脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物分散體：U9380VP，德國歐寶迪公司；無溶劑型聚氨酯分散體：UC 84，德國歐寶迪公司；光固化脂肪族聚氨酯丙烯酸分散體：UV-20，荷蘭帝斯曼公司；脂肪族聚異氰酸酯固化劑：Bayhydur XP 2655，德國科思創(chuàng)公司；成膜助劑：二丙二醇甲醚（DPM）、二丙二醇丁醚（DPnB），陶氏化學(xué)；潤濕劑：BYK346，畢克化學(xué)；消泡劑：BYK028，畢克化學(xué)；增稠劑：RM-8W，陶氏化學(xué)；紫外光引發(fā)劑：1173，巴斯夫公司；吡啶硫酮鋅殺菌劑：Biox ABZ，朗盛化學(xué)；水性光穩(wěn)定劑：UC606，ADEKA公司；溶劑：丙二醇甲醚醋酸酯（PMA），南京千越化工有限公司。

（2）木塑材料

PE（聚乙烯）木塑復(fù)合板：江華木塑公司；PVC（聚氯乙烯）木塑復(fù)合板：金發(fā)綠可木塑公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

紫外線加速老化試驗機(jī)：QUV，美國Q-LAB公司；磨耗測試儀：5155，美國 TABER 公司；Dispermat高速分散機(jī)：LC75，德國VMA公司；小型色差計：CR-400，日本美能達(dá)公司；分析天平：ME104/2，梅特勒公司；UV固化機(jī)：Floormate，荷蘭Decorad公司。

1.3 涂料制備

1.3.1 涂料的配方

不同類型水性木器涂料：丙烯酸乳液樣漆（WB AC），脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物樣漆（WB PUA），苯丙乳液樣漆（WB AS），聚氨酯分散體樣漆（WBPU），水性丙烯酸雙組分樣漆（WB 2K），水性紫外光固化樣漆（WB UV）。不同類型水性涂料的配方見表1。

表1 不同類型水性涂料的配方份

1.3.2 涂料的制備工藝

加入主體乳液樹脂；開啟分散機(jī)600～800 r/min，加入氨水中和至pH值=8；加入成膜助劑DPM和DPnB、去離子水、潤濕劑（BYK346）、消泡劑（BYK028）、增稠劑（RM-8W）的預(yù)混液；以1800 r/min高速分散10 min確認(rèn)細(xì)度后，不足100份部分用去離子水補(bǔ)足后停止攪拌。UV涂料配方在最后加入紫外光引發(fā)劑1173，分散5 min。功能型助劑（0.2份殺菌劑、0.5份水性光穩(wěn)定劑）在后期于1200 r/min下依次加入并分散均勻。

1.3.3 噴涂施工

采用噴涂施工工藝，在基板上制備對應(yīng)膜厚的涂層，其中水性雙組份涂料按照—NCO∶—OH=1.3∶1.0配比添加固化劑。紫外光固化涂料按照室溫干燥30 min，50℃烘箱干燥60 min后，再采用汞燈固化，固化能量設(shè)定為580～680 mJ/cm2，其他類型涂層采用室溫自干方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.4 性能測試方法

（1）附著力：參照GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗進(jìn)行測試與評級》進(jìn)行測試。耐水后附著力測試方法：將施工保養(yǎng)后的樣板浸泡在去離子水中24 h，再取出擦干室溫放置24 h，循環(huán)操作5次，再在室溫放置2 d后，按照上述操作測試漆膜附著力[8]。

（2）耐水性：參照GB/T 1733—93《漆膜耐水性測定方法》中的9.1甲法：浸水試驗法進(jìn)行測試。

（3）耐磨性：參照GB/T 1768—2006《色漆和清漆耐磨性的測定》旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法進(jìn)行測試。測試使用CS-10砂輪，負(fù)荷750 g，記錄砂磨500圈的測試數(shù)據(jù)。

（4）抗細(xì)菌性能和抗細(xì)菌耐久性測試：參照GB/T 21866—2008《抗菌涂料（漆膜）抗菌性測定法和抗菌效果》進(jìn)行測試。

（5）耐老化性測試：在木塑材料基板上按照200 μm的濕膜厚度噴涂水性涂料，室溫養(yǎng)護(hù)7 d后，參照GB/T 23983—2009《木器涂料耐黃變性測定法》測試水性木器涂料的耐黃變性。

（6）其他性能：參照GB/T 23999—2009《室內(nèi)裝飾裝修用水性木器涂料》制備樣板并進(jìn)行測試評級。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 附著力

木塑復(fù)合材料為木粉與塑料的混合材料，由于PE、PP等塑料基材其自身潤濕能力差，結(jié)晶度高，存在弱的邊界層以及是非極性的高分子材料等一些特性，導(dǎo)致其表面涂層難于附著。如果需要對其進(jìn)行涂裝，一般需要對基材表面進(jìn)行類似氧化、火焰灼燒、電暈等一些處理才能進(jìn)行[9]；而木材本身由于其自身的多孔以及親水的結(jié)構(gòu)，其涂裝附著力一般不會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題[10]。木塑材料作為這2種原料的復(fù)合體，為研究在其表面的涂裝情況，選取了PE及PVC木塑材料進(jìn)行了研究。

考慮到涂層涂裝后在后期戶外雨水沖刷對涂層的影響，同時進(jìn)行5個循環(huán)的耐水浸泡（1個循環(huán)為耐水浸泡24 h，室溫放置24 h）后再測試其涂層的附著力，以確認(rèn)涂層效果是否能夠滿足最終的涂裝需求。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同水性涂層在PVC木塑基材上的附著力

由表2可見，對于PVC與PE兩種不同類型的木塑材料本身，在不打磨的情況下水性涂料對PVC木塑的附著力明顯優(yōu)于對PE的附著力；分析考慮也是由于PE本身的非極性以及結(jié)晶度高導(dǎo)致；此外還可以發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過簡單的砂紙打磨后，漆膜的附著力均有明顯改善，PVC基材的附著力均達(dá)到最優(yōu)的0級。經(jīng)過耐水循環(huán)浸泡測試后，可以發(fā)現(xiàn)，由于漆膜自身耐水性能的差異，部分漆膜出現(xiàn)氣泡、脫殼的情況，相應(yīng)地使附著力降低。

2.2 耐水性

考慮木塑復(fù)合板目前的實際應(yīng)用主要在戶外等相關(guān)領(lǐng)域，涂層必須具有良好的耐雨水洗刷性能。不同類型水性涂料的耐水性測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同類型水性涂料的耐水性

由表3可見，常規(guī)水性涂料經(jīng)雙重固化（除室溫自然干燥固化成膜外，添加固化劑反應(yīng)成膜的雙組分產(chǎn)品以及紫外光固化產(chǎn)品）的涂料產(chǎn)品具有很好的漆膜耐水性，能夠滿足室外使用要求。但是根據(jù)相關(guān)測試經(jīng)驗，雖然是同種類型的乳液體系，不同牌號的乳液之間也會存在較大的性能差異，所以在選擇應(yīng)用領(lǐng)域時對乳液應(yīng)用仍需要嚴(yán)格的測試。

2.3 耐磨性

戶外用木塑地板通常還需要產(chǎn)品具有較高的耐磨性能，通過對木塑板材打磨涂裝的過程中發(fā)現(xiàn)，木塑基材本身有著優(yōu)異的打磨性，容易打磨，也就是說木塑復(fù)合材料的耐磨性欠佳。為了提高木塑復(fù)合材料用于戶外時的耐磨性，在木塑基材表面涂裝水性涂層也能夠提升其表面的耐磨性能。試驗結(jié)果見表4。

從表4可見，水性漆膜在耐磨性測試均有比較優(yōu)異的表現(xiàn)，考慮水性涂膜由于其成膜性質(zhì)以及原料，漆膜硬度仍未能超過傳統(tǒng)油性雙組分聚氨酯涂料；相對較軟的漆膜也是造成漆膜耐磨性好的一個方面原因。而空白木塑板材本身由于含有較高含量的木粉，而耐磨性測試預(yù)磨500圈后將板材表面相對光滑的PE連續(xù)相破壞，露出PE與木粉混合的界面，磨耗量較大。涂覆水性木器涂料后能夠得到很好的耐磨性保護(hù)。后期如果有更嚴(yán)苛的耐磨要求，也可以在涂層中添加相應(yīng)的耐磨、增滑的原料助劑，以滿足更高的需求。

2.4 抗菌性和抗菌持久性

木板以及竹板在應(yīng)用過程中很容易發(fā)霉，而木塑復(fù)合材料在合成的過程中通常也引入大于50%的木粉含量，因此木塑復(fù)合板在應(yīng)用中也會存在發(fā)霉等一系列問題，影響外觀質(zhì)量[11]。發(fā)霉的問題也是近年來學(xué)者一直研究的一個方向，同時也在分析在合成過程中引入防霉劑對木塑基材本身性能的影響[12]。

近年來抗菌涂料的應(yīng)用也十分廣泛，通過在基材表面涂覆抗菌涂層能夠達(dá)到對基材進(jìn)行防霉保護(hù)的目的。在測試的水性涂料體系中，加入吡啶硫酮鋅類殺菌劑，并對基材抗菌性能及長效抗菌性能進(jìn)行分析測試，結(jié)果見表5。

表5 木塑復(fù)合板涂覆抗菌涂層后的抗菌性能

由表5可知，對比2組空白木塑復(fù)合板材，在2種不同的木塑復(fù)合材料的基材上涂覆水性涂料，均能夠起到抗菌的效果，初期涂覆后能夠明顯的抑制測試菌種在其表面的生長，但是在經(jīng)過紫外光照射的老化測試后，不同的涂層也出現(xiàn)了不同的殺菌效率衰減情況，常規(guī)室溫自干型的丙烯酸乳液、苯丙乳液及聚氨酯乳液均出現(xiàn)了比較明顯的殺菌效率降低情況；而且聚氨酯改性丙烯酸、雙組分丙烯酸體系以及水性UV固化產(chǎn)品均有出色的長效抗菌表現(xiàn)?？紤]測試所選用的殺菌劑類型相同，但最終不同乳液長效性結(jié)果差別如此巨大，可推測不同體系自身的耐紫外光老化性能對于殺菌劑在其體系中的穩(wěn)定性也起到關(guān)鍵的作用。

2.5 耐老化性

木塑復(fù)合材料在陽光的照射下會出現(xiàn)褪色、性能降低。試驗通過在水性涂料中引入受阻胺類光穩(wěn)定劑，以提高涂層的耐老化性。本次測試主要針對木塑材料的△E色差變化入手進(jìn)行分析，探討水性涂層對其變色的影響。木塑基材表面涂覆水性涂料前后，經(jīng)UVA紫外光老化128 h后的耐黃變試驗結(jié)果見表6。

表6 各水性涂層在WPC板上耐老化△E數(shù)據(jù)

由表6可見，首先空白水性涂層在經(jīng)過紫外光老化后呈現(xiàn)不一樣的黃變情況，其中紫外光固化涂料黃變數(shù)值最大?？瞻啄舅馨宀脑谧贤夤饫匣蟪霈F(xiàn)發(fā)白、褪色、變灰的情況，測試色差△E值較大；在木塑復(fù)合板材上涂覆添加了紫外光吸收劑的水性涂料后，樣板老化褪色情況有所改善，色差△E值降低，分析可能原因一方面是由于紫外光吸收劑的涂層對樣板起到了一定的保護(hù)作用，另一方面由于空白涂膜在紫外光老化后自身會呈現(xiàn)一定的黃變情況，與原來WPC基材退色發(fā)白相互補(bǔ)充，造成了最終測得△E色差降低。也直接表明涂層對于木塑復(fù)合板材的耐老化起到了作用。

2.6 其他性能

為了滿足產(chǎn)品施工應(yīng)用要求，按照GB/T 23999—2009測試水性涂料的其他性能指標(biāo)，結(jié)果如表7所示。

表7 水性涂料的涂膜性能

3 結(jié)語

將不同種類水性木器涂料涂覆在PE和PVC木塑復(fù)合材料表面，性能測試結(jié)果表明，使用帶羥基的丙烯酸乳液為主體樹脂，異氰酸酯固化劑交聯(lián)的漆膜在打磨后WPC木塑復(fù)合材料表面有良好的附著力，同時相比較于其他類型水性涂層，其具有更加優(yōu)異的戶外性能。耐水性浸泡測試能夠達(dá)到大于60d不出現(xiàn)氣泡、發(fā)白、脫落的漆膜弊??；在添加殺菌防霉劑后漆膜的殺菌效率以及長效殺菌效率都能夠達(dá)到100%；在添加紫外線吸收劑后木塑復(fù)合材料的耐紫外光老化的耐黃變性明顯提高。因此，WPC基材選擇合適的水性涂層后能夠綜合提高

木塑復(fù)合材料的耐久性以及使用性。但是針對特定的應(yīng)用仍需進(jìn)行仔細(xì)的篩選對比，不同水性涂料配方和施工方式均會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。