水性木器涂料的分类特点和配方设计

水性涂料，英文为waterborne coatings或waterbased coatings，又称水基涂料。用于木材涂饰的水性涂料有多种分类方法，常见的有按外观、用途、施工和固化方式、乳液类型、化学结构以及设备方法来分类命名的。

水性木器漆最重要的成分是其中的乳液和构成乳液的树脂类型，科学的方法是按乳液的化学结构分类。按化学结构，水性木器漆可分为:
• 水性丙烯酸涂料 • 水性聚氨酯涂料 • 水性醇酸漆 • 水性环氧涂料 • 溶胶一凝胶涂料 • 水性光固化涂料 

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水性丙烯酸涂料

丙烯酸型水性木器漆是应用较早而且目前仍在大量应用的品种。自20世纪70年代起丙烯酸建筑乳胶漆开始大范围推广以来，水性丙烯酸木器漆也随之出现在市场上。丙烯酸乳液由丙烯酸酯单体为主的乙烯基单体经乳液聚合而成。聚合过程中添加了乳化剂、稳定剂、pH调节剂等各种助剂，体系相当复杂。采用软硬不同的单体，调节用量，并改变加料方式可以控制乳液粒子中聚合物分子的软硬链段分布，从而得到不同玻璃化温度 (Tg或不同最低成膜温度(MFFT)的乳液。聚合时采用的乳化剂可以是阴离子型的，也可以是非离子型的或阳离子型的，相应的乳液以及制成的漆也可称为阴离子型、非离子型或阳离子型的。仅用丙烯酸单体聚合得到的是纯丙乳液，制成的漆称为纯丙水性漆。聚合时可添加其他乙烯基单体对乳液进行改性，例如，添加苯乙烯改进漆膜的硬度并降低成本；引入含氟、含硅的单体改进漆膜的表面性能，降低膜的表面自由能，提高疏水性和耐玷污性。由此产生了苯丙水性漆、氟碳水性漆、硅丙水性漆等品种。丙烯酸乳液制成的漆膜有良好的耐候性，不易黄变，硬度高，光泽好。但是它的主要缺点是抗粘连性差，容易出现热黏冷脆的现象，硬度过高则低温成膜性不好，冬天难以进行涂装施工。通过自交联聚合、无皂聚合、核壳聚合等技术进一步改进和提高了丙烯酸乳液的性质，特别是采用核壳技术，将乳液粒子制成硬核软壳或软核硬壳的结构，甚至软硬相问的多层结构，以适应不同施工和使用条件的需要。

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水性聚氨酯涂料

聚氨酯是分子结构中具有氨基甲酸酯结构的一类大分子化合物的总称，通常由二异氰酸酯和多元醇经聚加成反应制成。鉴于异氰酸酯和多元醇种类的多样性，得到的聚氨酯可以是从软到硬，从脆到韧，从高弹性到有一定刚性的各种形态的产品。聚氨酯涂料同样具有很广的性能调节范围。根据制备聚氨酯所用的异氰酸酯类型，聚氨酯乳液和相应的漆可分为脂肪族型和芳香族型两大类。脂肪族的漆膜有优异的耐候性和抗黄变性，可用作户外装饰涂料；芳香族水性聚氨酯多用来做室内装饰漆。所用的多元醇有聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚烯烃多元醇等，从而产生了聚醚聚氨酯水性涂料、聚酯聚氨酯水性涂料等称谓。合成水性聚氨酯的过程中必须引入亲水基团或亲水链段。最常见的亲水基团是阴离子的羧酸基和磺酸基；大分子主链和侧链上也可以有季铵离子那样的阳离子基团；或者引入非离子的聚氧乙烯长链段和亲水基团羟甲基，相应的水性聚氨酯被称为阴离子、阳离子和非离子型的。按聚合得到的粒子大小有聚氨酯乳液和聚氨酯分散体(PUD)两类，后者通常有纳米级的粒径，外观半透明甚至完全透明，是目前最好的水性木器漆基料之一，有人将其特别称为纳米乳液，以区别于外观呈白色的普通乳液。

水性聚氨酯成膜后具有优异的柔韧性，常常与相对刚性的丙烯酸乳液掺混制漆，得到的水性木器漆兼具二者的优点，特别表现在可在较低的温度下成膜，又有较好的漆膜硬度。更好的方法是在制备聚氨酯分散体的过程中引入丙烯酸单体，制成聚丙烯酸酯为核、聚氨酯为壳的核壳结构粒子。这种聚氨酯一丙烯酸分散体(PUA)被认为是第四代聚氨酯分散体，特称为杂合物(Hybrid)，其性能比丙烯酸乳液和聚氨酯分散体的掺混物更好，主要表现在配漆更稳定，低温成膜性更优，不返黏，硬度高，柔韧性好，附着力好等，得到了广泛应用。

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水性醇酸漆

植物油经醇解后再与酸酐反应生成醇酸树脂，加大亲水基团的含量可制成水溶性或可水分散的树脂，水溶性的水性醇酸外观相当透明，但有颜色，而醇酸乳液呈棕黄色不透明状。醇酸树脂分子中的不饱和键是漆膜具有优良性能的基本保证。与溶剂型醇酸一样，可以通过油度长短来调节涂层的性能，油度短，干燥快，光泽高，漆膜硬度大；油度长，漆膜的柔韧性好，耐冲击性好。因此水性醇酸也有短油度和长油度之分。醇酸树脂在木材上有良好的渗透性，特别适用于制造水性着色剂。水性醇酸的另一大优点是利用空气中的氧气交联固化，所以漆膜的耐溶剂性大大优于其他单组分水性漆。丙烯酸改性水性醇酸是在醇酸合成时在分子中接入丙烯酸单体，改性后的醇酸树脂保光性得到显著提高。近来，为了进一步提高水性醇酸漆的性能，开发了醇酸／丙烯酸杂合技术，制成醇酸聚合物为核、丙烯酸聚合物为壳的核壳体系，亲水的丙烯酸壳保护醇酸核不被水解。涂装后漆中的水挥发，乳液细粒子渗入木头微孔中，线型的聚合物分子再经氧化交联成膜。水性氨酯油是用二异氰酸酯改性的醇酸树脂。二异氰酸酯与醇酸树脂的羟基反应生成聚氨酯结构，具有了某些聚氨酯的性能，同时保留了醇酸树脂氧化交联的特性，由此制成的单组分水性漆施工方便，性能优异，是水性漆中优良的品种之一。

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溶胶/凝胶涂料

溶胶一凝胶涂料(Sol—Gel coatings)是近年来受到特别关注的新型涂料品种。无机纳米粉料的进展促进了溶胶一凝胶涂料的发展。溶胶一凝胶涂料的主要成分是有机树脂和硅烷化合物，硅烷水解生成溶胶，然后在固体表面上再经缩合变成凝胶。硅烷中的活性基团极易与有机树脂或二氧化硅溶胶这样的无机材料反应，硅烷本身也可以缩合成网状结构的大分子，最终形成硬度高、耐划伤、耐溶剂、耐水的漆膜。涂料中的溶剂主要是异丙醇这样的有机溶剂，含有少部分的水，严格地说不是真正意义上的水性涂料，但是是环保型涂料。新近崭露头角的木器漆用的溶胶一凝胶涂料是一种极有前途的木器涂料新品种。

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水性光固化涂料

水性光固化涂料是按固化方法分类的一类涂料，是很重要的一类涂料。任何聚合物分子中，只要引入了能被光引发剂分解的自由基作用的活性基团，或能被高能辐射激发产生活性基团的结构都可以制成光固化涂料或辐射固化涂料。按固化所需的光源分，有紫外光(uV)固化涂料、可见光固化涂料和电子(EB)束固化涂料，最常见的是UV固化方式。光固化涂层有高度交联的结构，耐溶剂性、耐划伤性十分优异，漆膜硬度很高，作为水性地板涂料用得最为广泛，当然也可用做水性家具漆、水性橱柜漆和水性板壁漆。
水性涂料配方设计原理

· 乳液或水分散体的用量尽可能多些，这是因为乳液的材料主要由高分子材料构成，高分子材料是保证最终膜性能的骨干； 

· 助剂品种尽可能少些，能不用的就不用，这些助剂分子成膜后都将以游离的状态存在于膜之中，必然影响膜的机械性能； 

· 颜料、填料用量以少为好，只要能达到目的，越少越好，这些材料的引入必然意味着研磨助剂的引入，从而影响膜性能。 

水性涂料，包括水性木器漆是以水为分散介质和稀释剂的涂料。与常用的溶剂型涂料不同，其配方体系是一个更加复杂的体系。配方设计时，不仅要关注聚合物的类型、乳液及分散体的性能．还需要合理选择各种助剂并考虑到各成分之间的相互影响进行合理匹配。有时还要针对特殊要求选用一些特殊添加剂，最终形成适用的配方。

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水性木器漆基本组成及作用

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聚合物乳液或分散体：这是成膜的基料，决定了漆膜的主要功能。

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成膜助剂：在水挥发后，使乳液或分散体微粒形成均匀致密的膜,并改善低温条件下的成膜性。

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抑泡剂和消泡剂：抑制生产过程中漆液中产生的气泡并能使已产生的气泡逸出液面并破泡。

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润湿流平剂：提高漆液对底材的润湿性能，改进流平性，增加漆膜对底材的附着力。

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流变助剂：对漆料提供良好流动性和流平性，减少涂装过程中的弊病。

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表面控制助剂：改善涂膜的性能。

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消光剂：调控水性木器涂膜光泽度。 

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防腐剂：防止漆液在贮存过程中霉变。

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pH调节剂：调整漆液的pH值，使漆液稳定。

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着色剂和填料 

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特殊添加剂 

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此外，配方设计时往往还要添加少量的去离子水以便制漆。 

水性涂料配方设计体系 - 基料水性木器漆面漆的配方中，基料是形成漆膜并决定漆膜性能的关键组分。基料，即聚合物乳液、分散体或杂合物占80％以上，最好在90％以上。由于乳液特别是水分散体的固体分较低(水分散体一般在30％～35%)，配方设计时应尽量提高基料的用量，使得漆液中的有效成膜物含量尽可能多，这样才能保证制成的漆一道涂装漆膜较厚，丰满度高。聚合物乳液一般较水分散体的固体分高。水性基料固体分提高到一定程度后黏度增力很快，以至于可以稠到不能顺利制漆的程度。水分散体区粒子小、，所以这种现象更显著，通常只能做成35％以下的浓度。因为乳液粒子比较大，同样固体分下的黏度小一些，一般能制成50％左右的固体分。配方设计时，应该考虑到这种差别，也即采用水分散体制漆时，更要尽可能多地提高分散体的用量。选用何种乳液或水分散体，要依水性木器漆的使用目的而定。户外用水性木器漆气候老化条件恶劣，应优先选用脂肪族聚氨酯分散体或丙烯酸酯乳液。室内用漆可用芳香族聚氨酯分散体或丙烯酸酯乳液，玻璃化温度要高或固化过程中能够交联，以提高耐水、耐烫能力。水性木器漆实色漆中有部分颜料和填料，乳液或水分散体的用量相应要降低，一般在70％～80％左右，而腻子中填料更多，乳液或分散体的用量甚至可低至50％左右。目前已成功应用于水性木器涂料的树脂类型主要有水性醇酸、丙烯酸乳液或分散体、水性聚氨酯分散体及水性丙烯酸聚氨酯分散体。

水性涂料配方设计体系 - 防腐剂 水性木器涂料是水基体系，在生产过程中较易带入细菌，在储藏过程中都较易被微生物降解，因而，在配方设计时应适当添加防腐剂的类型和用量，防止体系和涂膜的腐败。从环保的角度考虑，应使用较低毒的防腐剂，另外还要注意与体系的匹配性，以及在添加时必须用水稀释后方可，否则，会与体系发生絮凝及不良的现象。一般来说，对于异噻唑啉酮类防腐剂用量在0.1%已足能防止漆液在贮存过程中霉变。加0.1%的防腐剂后，密封贮存两三年不成问题。
水性涂料配方设计体系 - pH调节剂

水性木器涂料有必要时还可能要调pH值。多数乳液或水分散体生产时已将pH值调为8～9，制漆时不必再用pH调节剂。如果pH值有偏差制漆过程中要加0.05％～0.1％的pH调节剂，将漆液的pH值调至7～9。许多水性木器漆只有在中性至微碱性条件下才能稳定，当pH值过高或过低时，漆液可能会产生絮凝、沉淀、返粗、施工性能恶化等现象。

不同的体系的pH值的要求都不一样，所以，水性木器涂料的pH值是根据体系的不同来调整，同时要考虑与配方中防腐剂的匹配。还要注意的是添加时必须用水以倍数来稀释，以免引起体系产生颗粒。