紫外光固化抗菌耐污清面涂料的研究与应用.pdf

上海涂料SHANGHAI COATINGS第61卷第 4 期2023 年 7 月Vol.61 No.4July.2023紫外光固化抗菌耐污清面涂料的研究与应用胡石成1，王金欢2，李冠来1（1.上海展辰涂料有限公司，上海 201700；2.浙江圣奥有限公司，浙江杭州 311200）摘要：通过对主树脂、单体、抗菌剂、硬质填料、改性二氧化硅、氟改性树脂等原材料进行研究和筛选，制备了紫外光固化抗菌耐污清面涂料，经过辊涂设备应用测试，验证了其在工业化应用上的可行性。关键词：紫外光；抗菌；清面涂料；筛选；辊涂中图分类号：TQ 637.83 文献标志码：A 文章编号：1009-1696（2023）04-0012-06收稿日期 2023-06-08作者简介 胡石成（1983），男，上海交通大学毕业，上海市中级化工工程师，现担任上海展辰涂料有限公司技术部主任。0 引言紫外光固化涂料的固化机理是涂料中的光引发剂吸收紫外光而分解成自由基或离子，引发低聚物进行聚合、接技、交联等化学反应后达到固化成连续的涂膜。它可广泛应用在家具、橱柜、地板木门等涂装领域。随着涂料技术的高质量发展和人们对美好生活的向往，消费者希望家具既能经久耐用，又具有抗菌性和耐沾污的效果。虽然市面上的紫外光固化涂料具有硬度、交联密度高，耐污等优点，但是少有兼顾良好的抗菌性和耐沾污功能。为此，通过采用特殊的光引发剂和抗菌剂、经特殊处理的硬质填料以及合理搭配的配方体系，研制了一款紫外光固化抗菌耐污清面涂料，只需辊涂一道，就可实现快速干燥，且具有抗菌性、耐污性，能满足机械化施工程度较高的木地板、家装公司的生产要求，既保证了涂装效果，又节省了涂装成本。1 试验部分 1.1 原材料主体树脂：改性环氧丙烯酸酯树脂HM302，江苏坤隆新材料有限公司；改性环氧丙烯酸酯树脂S5325，珠海展辰新材料股份有限公司；九官能度脂肪族聚氨酯树脂3910，广东中山科田化工有限公司；九官能度脂肪族聚氨酯树脂ZC6590，广东开平姿彩新材料有限公司；氟改性树脂（L6905A、L6905C），广东东莞蓝柯路新材料有限公司。单体：二丙二醇二丙烯酸酯（DPGDA）、1.6-已二醇二丙烯酸酯（HDDA），江苏三木化工股份有限公司。粉料：RAD2105改性二氧化硅，美国格雷斯公司；三氧化二铝（30 m、5 m），山东济南鲁信化工有限公司。助剂：抗污剂TEGO450、消泡剂TEGO920、气探索研究Exploration and Research上海涂料13第 61 卷相二氧化硅R972，赢创德固赛（中国）投资有限公司；抗菌剂PT100，南京天诗新材料科技有限公司；分散剂BYK2009，德国毕克公司；光引发剂1173、光引发剂TPO，天津久日新材料股份有限公司；胺类助引发剂RY4103，江苏瑞阳化工股份有限公司。1.2 实验仪器及设备环保木器实验室用变频分散机、刮板细度计、黏度计，上海现代环境工程有限公司；恒温恒湿箱，上海一恒科学仪器有限公司；电子分析天平计量器，上海精密仪器仪表有限公司；UV辊涂机、UV光固化机，台湾丰巧机械（昆山）有限公司；制冷加热一体机，广东省东莞市广声试验设备有限公司。1.3 紫外光固化抗菌耐污清面涂料的制备工艺紫外光固化抗菌耐污清面涂料的基础配方见表1。表1 紫外光固化抗菌耐污清面涂料的基础配方Table 1 Basic formula of UV-cured antibacterial and antifouling clear topcoat序号原材料质量分数/1改性环氧丙烯酸酯树脂23.52九官能度脂肪族聚氨酯树脂23.53氟改性树脂54二丙二醇二丙烯酸酯145 三丙二醇二丙烯酸酯56抗菌剂47消泡剂0.28分散剂0.89抗污剂0.510光引发剂511气相二氧化硅0.512改性二氧化硅粉体413硬质填料10141.6-己二醇二丙烯酸酯4合计100紫外光固化抗菌耐污清面涂料的制备工艺：根据表1配方，在干净的容器里缓慢加入15，然后放入变频分散机中，中速搅拌10 min至混合均匀；边搅拌边依次加入原材料610，中速分散10 min，至混合均匀；在低速搅拌下，加入物料1113，再高速分散30 min；进行成品细度检测，控制细度30 m；在低速搅拌时加入原材料14，中速分散10 min。最后获得样漆，备用。1.4 性能检测指标及检测方法在做好底漆的硅酸钙板（40 cm60 cm）上，采用辊涂机（台湾丰巧FC-W2-CR-AHH）对样漆进行涂装，面漆流平8 s后固化，依据相关标准进行检测，涂料相关性能检测指标见表2。表2 涂料性能检测指标Table 2 The performance test index of the coatings 检测项目检测结果检测标准容器中状态均匀无硬块GB/T 17921979涂膜外观平滑光整，无开裂 无起泡现象 目测w（不挥发物）/98GB/T 17252007贮存稳定性（50，7 d）无硬沉GB/T 67531986黏度（25）/KU90GB/T 92692009耐污性/级1Q/321181 JPD0092021硬度HASTM D 33632005附着力2ASMD 33592002细度/m40GB/T 17241979光泽（60）40GB/T 97542007抗菌效果 通过欧标ABGG（外检）耐磨性/级1GB/T 17657201310个冷热循环（-2050）漆膜无发白、无脱落GBT 4893.72013 2 结果与讨论2.1 树脂的选择4种树脂的性能参数见表3。表3 4种树脂的性能参数Table 3 Performance parameters of four types of resins 测试项目改性环氧丙烯酸酯树脂HM302改性环氧丙烯酸酯树脂S5325九官能度脂肪族聚氨酯树脂3910九官能度脂肪族聚氨酯树脂ZC6590官能度2299固含量/%97979797黏度/（Pa s）21184050漆膜硬度4423漆膜耐磨性4423干燥速度3355漆膜韧性2254注：在以上漆膜硬度、漆膜耐磨性、干燥速度、漆膜韧性的评级中，1级为最优，5级为最差。胡石成，等：紫外光固化抗菌耐污清面涂料的研究与应用探索研究Exploration and Research上海涂料14第 61 卷按照紫外光固化抗菌耐污清面涂料的基础配方（表1），在其他原材料添加量不变的基础上，制定了4种树脂1#、2#、3#、4#的搭配方案，如表4所示。不同树脂的搭配方案对涂料性能的影响见表5。表4 4种树脂的搭配方案Table 4 Matching schemes of four types of resins 树 脂w/%1#2#3#4#改性环氧丙烯酸酯树脂HM3025050-改性环氧丙烯酸酯树脂S5325-5050九官能度脂肪族聚氨酯树脂3910-5050-九官能度脂肪族聚氨酯树脂ZC659050-50表5 不同树脂的搭配方案对涂料性能的影响Table 5 The effects of different resin matching schemes on the coatings performances 测试项目性能结果1#2#3#4#表观黏度/KU96838985光泽（60）33 38 33 35 耐污性/级*5 5 4 4 耐磨性/级99.999.999.999.9贮存稳定性（50，7 d）正常正常正常正常注：在耐污性评级中，1级为最优，5级为最差。九官能度脂肪聚氨酯树脂固化速度快，成膜硬度高，超耐磨，如果将其作为成膜物质单独使用，漆膜交联度较大，会导致漆膜偏硬偏脆，附着力等不良现象；改性环氧丙烯酯兼顾丙烯酸的快干和漆膜硬度以及对粉料很好的分散性，性价比高，且具有良好的柔韧性。因此将改性环氧丙烯酸酯树脂和九官能脂肪族聚氨酯树脂互配使用来满足产品性能和产品施工的要求。由表5可见，1#方案和2#方案的涂料物性指标较好，但1#方案涂料表观黏度偏大，施工的宽容性欠佳，不利于涂布量的控制，故选择2#方案50%改性环氧丙烯酸酯树脂HM302和50%九官能度脂肪族聚氨酯树脂3910。2.2 单体的选择由于紫外光固化抗菌耐污清面涂料应具有良好的流平性，所以在使用高黏度树脂时，需要配合使用低黏度的单体来降低黏度。三官或以上的单体降低体系黏度效果差，用以辅助主树脂提供更好的交联密度，二丙二醇二丙烯酸酯（DPGDA）较三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）的支链少，稀释能力更强。1，6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）有一定的消光能力，可以减少哑粉的使用量，从而提高施工时的流动性，有利于更好的循环使用。根据筛选好树脂（2#方案），按照表1的基础配方，除单体外，其他原料的种类和添加量保持一致，进行单体的筛选试验。3种单体的搭配方案见表6，不同单体的搭配方案对涂料性能的影响见表7。表6 3种单体的搭配方案Table 6 Matching schemes of three kinds of monomers 单 体w/5#6#7#8#DPGDA148114HDDA410511TPGDA5588表7 不同单体的搭配方案对涂料性能的影响Table 7 The effects of different monomer matching schemes on the coatings performances 测试项目5#6#7#8#黏度/KU71808685流平性/级3432透明性/级4444附着力/级2233贮存稳定性（60，168 h）正常正常正常正常注：在以上流平性、透明性和附着力评级中，1级为最优，5级为最差。由表7可知，5#方案综合性能最优，即14%二丙二醇二丙烯酸酯（DPGDA）、5%三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）、4%1，6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）互配使用，可使体系得到良好流平性和施工黏度。2.3 硬质填料的选择由于紫外光固化抗菌耐污清面涂料应具有耐磨的特点，所以需要加入部分改性二氧化硅之外的硬质填料来提高耐磨程度。根据筛选好的树脂和单体，参照表1的基础配方，除硬质填料外，其它原料的种类和添加量保持一致，进行硬质填料的筛选试验。硬质填料的搭配方案见表8，不同硬质填料的搭配方案对涂料性能的影响见表9。探索研究Exploration and Research上海涂料15第 61 卷表8 硬质填料的搭配方案Table 8 Matching schemes of hard fillers 硬质填料w/9#10#11#12#三氧化二铝（30 m）8-612三氧化二铝（5 m）4126-表9 不同硬质填料的搭配方案对涂料性能的影响Table 9 The effects of different matching schemes of hard fillers on the coatings performances 测试项目9#10#11#12#黏度/KU80908587光泽（60）42404540耐磨性/级1232耐污性/级2344贮存稳定性（60，168 h）正常轻微沉淀正常硬质沉淀注：在以上耐磨性、耐污性评级中，1级为最优，5级为最差。从上述实验可以得出，方案9#8%三氧化二铝（30 m）和4%三氧化二铝（5 m）可使涂料体系的综合性能得到保障。传统三氧化二铝具有硬度高、价格适中、易添加和UV涂料体系相容性好的优势。粒径越细，体系稳定性越好、漆膜越细腻；粒径越粗，其吸油量变小，耐磨性效果提升，漆膜表面变得粗糙，耐污效果会下降，而且长时间的贮存极易出现分层或沉淀现象。所以需将二者合理搭配使用，兼顾漆膜透明性、耐磨性和耐污性。2.4 抗菌剂的选择VANQUISH 100抗菌剂是一种新型的抗菌产品，并能给予涂膜长效表面抗菌性能；ZN90抗菌产品用于保护高分子材料产品免受细菌和霉菌的影响，能够有效对抗大肠杆菌、金黄色葡萄球菌；PT100抗菌剂是一种有效的聚合物防腐剂，可用于保护聚氨酯等涂料干膜。这3种抗菌剂的抗菌效果均 97%。根据筛选好的树脂、单体、硬质填料，参照表1的基础配方，除抗菌剂之外，其中其它原料的种类和添加量保持一致，对抗菌剂进行筛选试验和测试。表10为抗菌剂的搭配方案，表11为不同抗菌剂搭配方案对涂料性能的影响。表10 抗菌剂的搭配方案 Table 10 Matching schemes of antibacterial agents 抗菌剂w/13#14#15#PT1002-VANQUISH 100-22ZN90222表11 不同抗菌剂搭配方案对涂料性能的影响Table 11 The effects of different matching schemes of antibacterial agents on the coatings performances 测试项目13#14#15#黏度/KU868789流平性/级444大肠杆菌抗菌率/%99.9998.4098.70金黄色葡萄球抗菌率/%99.9998.2898.36透明性/级444附着力/级233冷热循环正常正常正常贮存稳定性（60，168 h）正常正常正常注：在以上流平性、透明性和附着力评级中，1级为最优，5级为最差。从以上实验可以得出，方案13#的涂料综合性能最优，使用PT100和ZN90抗菌剂的组合最好，可以通过欧洲ABGG标准中的相关要求。2.5 改性二氧化硅的选择 为了使紫外光固化抗菌耐污清面涂料的光泽满足市场的需求四分光，通过使用改性二氧化硅以降低体系的光泽。另外，良好的改性二氧化硅也能辅助气相二氧化硅达到更好的防沉效果。根据筛选好树脂、单体、硬质填料和抗菌剂，按照表1的基础配方，除改性二氧化硅外，其它原材料和添加量保持一致，进行改性二氧化硅的筛选实验。表12改性二氧化硅的搭配方案，表13为不同改性二氧化硅搭配方案对涂料性能的影响。表12 改性二氧化硅的搭配方案Table 12 Matching schemes of modified silicas 改性二氧化硅w/16#17#18#19#格雷斯 RAD21056-34鸿盛 HU80S-632胡石成，等：紫外光固化抗菌耐污清面涂料的研究与应用探索研究Exploration and Research上海涂料16第 61 卷表13 不同改性二氧化硅搭配方案对涂料性能的影响Table 13 The effects of different matching schemes of modified silicas on the coatings performances 测试项目16#17#18#19#表观黏度/KU86868686光泽（60）38454843耐磨性/级2322耐污性/级1244545抗菌效果/%99.999.999.999.9贮存稳定性（60，168 h）正常硬质沉淀 轻微沉淀 轻微沉淀注：在以上耐磨性、耐污性评级中，1级为最优，5级为最差。由表13可见，16#方案仅使用6%格雷斯RAD2105作为消光体系能使整个配方体系在保证其它物性的前提下，具有更好的耐磨性和耐污性。格雷斯RAD2105二氧化硅表面经过特殊的蜡处理，具有良好的消光作用、分散性和贮存稳定性。2.6 氟改性树脂的选择由于紫外光固化抗菌耐污清面涂料应具有耐污的特点，在使用高黏度的主树脂同时，需要使用氟改性树脂来降低体系的表面张力，到达更好的耐污效果。根据筛选好树脂、单体、硬质填料、抗菌剂和改性二氧化硅，按照表1的基础配方，除氟改性树脂外，其它原材料的种类和添加量保持一致，对氟改性树脂进行筛选实验和测试。表14为氟改性树脂的搭配方案，表15为不同氟改性树脂搭配方案对涂料性能的影响。表14 氟改性树脂的搭配方案Table 14 Matching schemes of fluorine modified resins 方 案w/20#21#22#23#氟改性树脂L6905A5-32氟改性树脂L6905C-523表15 不同氟改性树脂搭配方案对涂料性能的影响Table 15 The effects of matching schemes of different fluorine modified resins on the coatings performances 测试项目20#21#22#23#表观黏度/KU86868686光泽（60）40454843耐磨性/级2222耐污性/级544545抗菌效果/%99.999.999.999.9贮存稳定性（60，168 h）正常硬质沉淀轻微沉淀轻微沉淀注：在以上耐磨性、耐污性评级中，1级为最优，5级为最差。由表15可见，氟改性树脂L6905A具有高效的抗污、高耐磨效果，它能确保涂料的综合性能，使体系获得更好的耐污性和耐磨性。所以故选用20#方案5%氟改性树脂L6905A。2.7 施工涂布量的选择根据以上筛选好的原材料制备紫外光固化抗菌耐污清面涂料，并且在已涂覆清底漆的木板上进行施工，研究不同施工涂布量对涂料性能的影响，见表16。表16 不同施工涂布量对涂料性能的影响Table 16 The effect of different construction coating weight on the coatings performances 测试项目施工涂布量/（gm-2）8121620光泽（60）35394552耐磨性/级2133耐污性/级5543抗菌效果/%99.999.999.999.9注：在以上耐磨性、耐污性评级中，1级为最优，5级为最差。由表16可知，当施工涂布量为12 g/m2时，涂料的综合性能最佳。这也满足各个生产厂家的设备要求。涂布量过大，耐磨效果会提升，但因漆膜表面较粗糙，导致易藏污纳垢，降低耐污效果；涂布量偏小，耐污效果会提升，但耐磨效果会降低。3 结语通过对原材料进行筛选，选择合适的主树脂（50%九宫能度脂肪族聚氨酯树脂3910、50%改性环氧丙烯酸树脂 HM302）、单体 14%二丙二醇二丙烯酸酯（DPGDA）、5%三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）、4%1，6-已二醇二丙烯酸酯（HDDA）、硬质填料 8%三氧化二铝（30 m）和4%三氧化二铝（5 m）、改性二氧化硅（6%格雷斯RAD2105）、抗菌剂（2%PT100和2%ZN90）、氟改性树脂（5%氟改性树脂L6905A），从而制备出性能优异的紫外光固化抗菌耐污清面涂料，各项涂料性能指标（黏度、光泽、干燥速度、硬度、耐磨性、耐污性、抗菌性等）均满足要求。探索研究Exploration and Research上海涂料SHANGHAI COATINGS第61卷第 4 期2023 年 7 月Vol.61 No.4July.2023经过辊涂设备应用测试，当施工涂布量为12 g/m2时，满足工厂实际生产需求。参考文献1陈用烈，曾兆华，杨建文.辐射固化材料及应用 M.北京：化学工业出版社，2003.2张军，文应军.紫外线固化亚光涂料的研究 J.涂料工业，2001，31（3）：4-7.3王德海，江棂.紫外线光固化材料理论与应用 M.北京：科学出版社，2001.Research and Application of UV-Cured Antibacterial and Antifouling Clear TopcoatHu Shicheng1，Wang Jinhuan2，Li Guanlai1（1.Shanghai Zhanchen Coatings Co.，Ltd.，Shanghai 201700，China；2.Zhejiang Sunon Technology Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 311200，China）Abstract：Through researching and screening of raw materials，such as main resins，monomers，antibacterial agents，hard fillers，modified silicas，fluorine modified resins，a kind of UV-cured antibacterial and antifouling clear topcoat was prepared.The feasibility of its industrial application was verified through practical roller coating application tests.Key Words：UV；antibacterium；clear topcoat；screening；roller coatingUV光固化耐磨耐污生物基面漆的研究与应用石黎德 （上海展辰涂料有限公司，上海 201707）摘要：通过对主树脂、单体、改性有机硅树脂、抗污助剂、硬质填料和光引发剂等进行筛选，制备了一种UV光固化耐磨耐污生物基面漆。该面漆具有高环保性、耐磨性、耐污性，并且含有生物基碳，能满足儿童玩具高标准的检测要求。关键词：UV固化；生物基面漆；耐磨性；耐污性中图分类号：TQ 637.83 文献标志码：A 文章编号：1009-1696（2023）04-0017-07收稿日期 2023-04-21作者简介 石黎德（1983），男，大学本科，主要从事木器UV涂料的研究与应用。0 引言紫外光（UV）固化技术是利用紫外光引发具有化学活性的液态材料使其快速聚合交联，达到瞬间固化的目的，并且具有高效、节能、经济、环境友好等特点。UV光固化涂料可适用于多种基材，如木材、塑料、纸张、金属、玻璃、石材、陶瓷等，市场前景广阔。在家具、木门、地板、儿童玩具等涂装领域中，工艺 设备工艺 设备Technology and Equipment