白酒瓶涂料用水性乳液的制备及性能研究
代翔潇
(四川省宜宾环球格拉斯玻璃制造有限公司
四川宜宾 644007)
来源：广东化工 2020年
第47卷 第11期
水性化是消除溶剂型涂料挥发性有机物(VOC)的最佳手段之一。针对白酒瓶涂料性能要求制备了水性乳液并对其进行了表征，对涂膜性能进行了测试。结果表明：所制备分子中成功引入了氨基甲酸酯键、醚键功能性基团；乳液固化后硬度达3H、耐醇性为3h、吸水率3.8 %，且其它指标均达到白酒瓶涂料的使用要求。
水性涂料 环氧 聚氨酯 白酒瓶涂料
水性涂料是以水为分散介质或/和稀释剂的一类新型环保涂料。随着世界各国环保意识的不断增强和相关法律政策的指引，涂料产品正朝着绿色环保方向阔步前进，挥发性有机物质(VOC)是造成涂料污染的主要因素，而水性涂料恰恰可以从根本上消除VOC，因而成为环保涂料的重要发展方向。白酒瓶涂料是涂布于玻瓶表面并对其产生装饰、保护作用的一类专用涂料，目前以溶剂型环氧、醇酸、聚酯涂料为主，VOC含量很高，易于造成局部环境的大气污染，且对操作人员身体健康产生一定影响。水性涂料可以消除VOC的污染，但现有水性白酒瓶涂料存在诸多缺陷(如附着力差、耐醇性弱、耐水性低等)，推广困难。
针对以上问题，本文以环氧树脂为基本分子骨架，通过二异氰酸酯引入聚氨酯链段，以醚键为亲水基团，制备了聚氨酯改性环氧树脂的水性乳液，并利用所制备的水性乳液配制了涂料，检测了涂膜的各种性能，对其在白酒瓶涂料方面的应用进行了初步验证。
1.1 原材料
二异氰酸酯、二元醇、丙酮、环氧树脂，韩国LG公司；催化剂，山东优索化工公司；消泡剂、润湿剂、流平剂，德国毕克公司；以上均为工业品。
1.2 实验仪器
水浴锅，河南信沃仪器公司；电动搅拌器，Eurostar公司；真空干燥箱，上海一恒公司；DV2TLV型旋转粘度计，美国博勒飞；Vector-22型红外光谱仪，德国Bruker公司；STA449-F3型热失重分析仪，德国耐驰公司；JEM-200CX型透射式电子显微镜，日本电子株式会社。
1.3 自乳化水性乳液的制备
将反应原料(二异氰酸酯、二元醇)及溶剂(丙酮)按一定比例加入四口烧瓶中，机械搅拌，水浴加热到80℃并在此温度下保温反应1h；之后升温至85℃，再加入一定量的二元醇、环氧树脂、催化剂，保温反应1h；升温至90℃反应2.5h。待反应完成后，将体系降温至60℃，在快速搅拌下匀速加入适量的蒸馏水，加完后继续搅拌15min，得到均匀、稳定的白色乳液。将该乳液减压蒸馏脱去溶剂，即可得到环保型低VOC聚氨酯改性环氧水性乳液。
1.4 涂膜的制备
将合成的水性环氧乳液与固化剂按一定比例混合，加入一定量所需的色浆和其它涂膜助剂，混合均匀后，在90×120×5mm的玻璃板和50×120×0.2mm、50×100×0.5mm的马口铁上进行喷涂。在干燥箱中140℃保温15min，180℃保温10min，得到的涂膜进行下一步测试。
1.5 性能检测
将乳液(不加固化剂)涂膜烘干后进行红外光谱分析；对乳液中分散相粒径及其分布进行分析测试；乳液及固化剂后的涂膜性能按相关标准(详见表3)进行测试。
2.1 红外光谱分析
所制备水性环氧乳液的红外谱图如图1所示。该谱图中出现了一系列特征吸收峰，其中波数在1250cm-1，3406cm-1，1718cm-1处的吸收峰分别对应氨基甲酸酯(-NHCOO-)中C-O，N-H和C=O基团的吸收峰；波数1400cm-1处的吸收峰对应伯醇分子中的-OH，波数1107cm-1处的吸收峰对应聚醚，说明聚醚二元醇接入水性环氧乳液的链段中，并且还保留着一部分未反应的伯醇。该谱图中在波数833cm-1和913cm-1仍存在两处吸收峰，对应环氧基团，说明其被成功保留并接入到分子链段中。
2.2 不同分子量聚醚二元醇对乳液粒径的影响
从图2可以看出，随着所用原料聚醚二元醇分子量的增大，所制备的乳液粒径也就越来越小，其分布也越来越窄。这主要是因为随着聚醚二元醇的分子量增大，相当于在分子链段中接入的亲水基团如醚键等就越多，造成环氧树脂的亲水性不断增强，乳液粒径不断减小。
2.3 不同二元醇用量对乳液稳定性的影响
保持其他制备条件不变，选用分子量为4000的聚醚二元醇/二异氰酸酯之间不同物质的量的比例来制备乳液，研究二元醇用量对所制备的乳液外观、粒径及稳定性的影响，结果如表1所示。
从表1中可以看出随着聚醚二元醇用量的增大，即二元醇与二异氰酸酯的比值增大，所制备乳液的平均粒径逐步降低，乳液的稳定性随之升高。可能是因为随着二元醇用量的增大，引入到环氧树脂分子中的亲水链段增多，亲水能力增强，表现为乳液粒径逐步减小，稳定性升高。
图3中的从左到右A、B、C、D、E分别为分子量为4000的二元醇与二异氰酸酯物质的量之间的比值为0.3、0.2∶1、0.15、0.1和0.05时所制备的水性乳液。由该图可以看出，从左到右乳液颜色随着二元醇用量的减少，由浅黄白色逐步变为纯白色，乳液所泛蓝光也越来越淡。综合表1和图3可知，当二元醇/二异氰酸酯之间物质的量之比大于0.15:1时所制备的水性乳液蓝光明显，乳液粒径小，稳定性更高。
2.4 固化剂用量对涂料膜性能的影响
改变固化剂中活泼氢与环氧基团物质的量的比例，涂膜，测试其各种性能，结果如表2所示。由表可知：固化时固化剂的用量越多，相应的所具有的活泼氢含量也就越多，漆膜固化速率也就越快，表干所需时间越短。这可能是因为随着固化剂用量的增加，漆膜的交联密度升高，较高的(恰当的)交联密度导致漆膜硬度和附着力有所增加，固化后涂膜的吸水率下降。而当固化剂用量超过某临界点时，由于所用的固化剂具有亲水基团，固化剂用量过多反而增加了漆膜的亲水性，反而使得涂膜吸水率增加。通过对漆膜耐酸性和耐碱性的测试，可以得知当所用固化剂比例增加时，能够提高涂膜的耐酸和耐碱性，这可能源于乳液中所含树脂分子与固化剂的交联反应更加彻底，消除了一些活泼的易于发生反应的基团。
注：1级2级是对涂膜表面外观的粗略分级描述。1级是指经过测试 后涂膜表面无明显变化；2级指涂膜经过测试后产生小泡、皱纹、裂纹、 白化等正常视力肉眼可见的现象。
2.5 水性环氧树脂白酒瓶涂料的制备及性能
按1.4制备水性白酒瓶涂料，性能如表3所示。
从表3可以看出，本文制备的环保水性乳液用于制备白酒瓶涂料，对于测试标准条件下的水、酸、醇、碱等类物质的耐受性良好，硬度较高，附着力良好，各技术指标均达到白酒瓶涂料的性能要求。
(1)利用红外光谱对所制备的水性乳液进行表征，结果表明在环氧树脂中引入了氨基甲酸酯键、醚键等所需功能性基团，成功制备了具有良好稳定性的聚氨酯改性水性环氧树脂乳液。
(2)随着制备反应中加入二元醇的比例和分子量的增大，所得乳液粒径逐渐降低，粒径分布变窄，乳液稳定性增加。
(3)选用胺类固化剂时，氨基氢与环氧基物质的量之比过多或过少都会明显影响漆膜的性能，当它们之比为1∶1时，所制得的涂料膜综合性能较好。
(4)通过自乳化制得的水性环氧树脂，用来制备白酒瓶玻璃涂料具有良好的性能，可满足白酒瓶涂料的各种性能要求，VOC含量很低，具有较好的环保作用。
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