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微波干燥应用于双组分水性聚氨酯木器漆的干燥过程
吴海生1, 2, 黄卫2, 施国萍1, 高建东3 ( 1. 拜耳材料科技(中国)有限公司, 上海201206;2. 上海交通大学化学化工学院, 上海200030; 3. 立邦涂料中国有限公司木器漆技术本部, 上海201201) 水性木器漆由于使用水作为分散介质, 使得其干性较溶剂型木器漆更易受到温度和湿度的影响, 强制干燥是解决水性木器涂料干性的常用手段。在工业生产中目前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漆都存在不同程度的缺点: ( 1)热风干燥的特点是设备投入较简单, 但是对底材和湿膜的加热速度较慢, 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对干燥效果影响较大( 如漆膜的厚度、空气的湿度以及热风的温度等); ( 2) 红外加热干燥相比热风干燥能够缩短整个干燥过程, 但是会产生明显的温度梯度, 由于它的干燥是由表面向内部延伸的, 使其不适合用于干燥较厚的涂膜, 且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] 。
而微波干燥却能避免上述缺陷。 1 微波干燥原理和特点 111 微波干燥原理 微波技术起源于20世纪30年代, 微波是指波长为1 mm~ 1 m, 频率为3.0 x 102 ~ 3.0x 105 MH z, 具有穿透性的电磁波, 常用的微波频率为915MH z和2 450MH z。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波功率, 通过波导输送到微波加热器, 需要加热的物料在微波场的作用下被加热[ 2- 3]。 112 微波干燥特点 ( 1) 微波加热的即时性 用微波加热介质物料时, 加热非常迅速。只要有微波辐射, 物料即刻得到加热。反之, 物料就得不到微波能量而立即停止加热, 它能使物料在瞬间得到或失去热量来源。表现出对物料加热的无惰性。 ( 2) 微波加热的整体性和选择性 微波加热过程在整个物体内同时进行, 升温迅速, 温度均匀, 温度梯度小, 是一种/ 体热源0, 大大缩短了常规加热中热传导的时间。除了特别大的物体外, 一般可以做到表里一起均匀加热。这符合工业连续化生产和自动化控制的要求。 ( 3)微波加热能量利用的高效性 与常规电加热方式相比, 一般可以节电30% ~ 50%。另外微波加热安全卫生无污染, 且有很强的杀菌能力。 2 微波干燥在水性双组分聚氨酯涂料干燥过程中的应用研究
211 实验部分 21111 主要原材料 水性丙烯酸树脂B ayhydro lA 2651、水性多异氰酸酯固化剂Bayhydur XP2655: 拜耳材料科技; 消泡剂( A ir product) 、润湿剂( ocvonik)、流平剂: 科宁公司。 21112 微波干燥设备 意大利Giardina 公司MOS Lab 微波干燥机: 微波频率为50 H z; 微波功率为500~ 2 000W; 输出形式: 矩形波导; 电耗:< 15 kW。 21113 测试所用标准 根据水性木器涂料的技术要求, 按国标GB /T 23999-2009《室内装饰装修用水性木器涂料》和GB 24410- 2009《室内装饰装修材料水性木器涂料中有害物质限量》检测。溶剂型按照HG /T 2454-2006《溶剂型聚氨酯涂料(双组分) 》进行检测。 涂膜溶胀率测定: 将固化完成的涂膜称质量, 记为m 1, 在二甲苯溶液中浸泡24 h后取出, 迅速用滤纸吸干涂膜上的残留溶剂, 称质量, 记为m2, 依据式( 1)计算溶胀率: 溶胀率= (m2 - m 1 ) /m1x 100% 式( 1) 21114 测试所用配方 采用拜耳经典的水性双组分产品Bayhydro l A 2651 和BayhydurXP2655配制涂料产品。由于固化剂会被水消耗一部分, n ( - NCO) ：n( -OH ) > 1.0 。参考配方见表1。  212 结果与讨论 21211 不同干燥方式除水效果对比[ 5] 蔡佳斌等[ 1] 研究了单组分水性聚氨酯采用微波干燥方式对于涂膜中水分挥发速度的影响。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50%左右。双组分聚氨酯水性木器漆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的话, 则会造成大量的水分与多异氰酸酯竞争反应, 从而使漆膜中产生二氧化碳( CO2 ) 。CO2 的产生还会降低体系的pH, 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。由此可见加快水分挥发对双组分聚氨酯水性木器漆涂膜性能提高具有更重要意义[ 6] 。取双组分聚氨酯水性木器漆n ( - NCO) ：n( - OH ) = 1. 5喷涂3块玻璃板, 使用室温干燥、烘箱加热和微波干燥这3种干燥方式来干燥水性木器漆, 通过测试干燥前和干燥后的质量变化来表征涂膜中水分挥发的速度。 图1为不同干燥条件下涂膜失质量比较。  由图1可以看出, 不同的干燥条件对水性木器漆的脱水效果差异比较明显。考虑到所采用的水性木器漆的固含量为38%, 可见采用微波干燥2 m in 基本脱除了配方中所有水分,而45 oc 烘箱烘烤10 m in水分还无法完全脱除, 若采用室温条件下( 23 oc , 55% )自然干燥的方式, 20 m in 后漆膜已经表干, 水分挥发已非常困难。其结果与微波干燥在单组分水性聚氨酯木器漆相似。 21212 不同干燥方式对涂膜干燥时间和硬度的影响 比较不同干燥方式的实际干燥时间( 常温干燥, 45 oc 烘烤, 2 000W微波干燥+ 45 oc 烘道烘烤) 和硬度(常温干燥下硬度为养护7 d后的硬度, 烘烤和微波干燥硬度为干燥过程结束时的硬度)。图2为不同干燥条件下摆杆硬度和实干时间的对比。  由图2可以看出, 采用微波干燥的方式, 漆膜的干燥速度可大大提高, 生产效率也改进很多, 比烘烤提高1 倍, 比常温干燥提高4~ 5倍, 且硬度比常温干燥条件下更高。 21213 不同干燥条件下漆膜性能比较 图3为不同干燥条件下漆膜性能的对比。5表示最好, 1表示最差。  从图3性能指标的对比可以看出: ( 1)硬度方面, 微波干燥和烘烤好于常温干燥方式。 ( 2)微波干燥提高了漆膜的耐化学品、耐污染和机械性能, 是双组分比较合适的干燥方式。 21214 不同n (- NCO ) :n ( -OH)比例配方性能比较 由于微波干燥可显著减少多异氰酸酯( - NCO )基团与水的副反应, 微波干燥可考虑减少固化剂的用量。分别选择n( -NCO ) :n( - OH )为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4和1.5考察性能差异。图4为不同n ( - NCO) :n ( ) OH ) 比例下摆杆硬度的比较。  由图4可见, 随着n( - NCO) :n( - OH )比例提高, 摆杆硬度逐步提高; 采用微波加烘烤的方式, n ( - NCO ) :n ( -OH ) 为1.2时, 硬度已经达到室温干燥条件下n (- NCO ) :n ( -OH )为1. 5时的硬度。 图5为不同n( -NCO) :n( - OH )比例下涂膜溶胀率的比较。  双组分漆膜是化学交联后的聚合物, 在溶剂中不能溶解,但一定程度上能被溶胀, 溶胀的程度取决于聚合物的交联密度; 交联密度越大, 溶胀程度越小。交联密度越高耐化学品和耐污染性能亦获得提高。由图5 可见, 采用微波加烘烤的方式, 漆膜交联密度比常温干燥条件下高。水性双组分聚氨酯体系中, 虽然固化剂用量在总配方中不足20%, 但由于价格较高, 固化剂的成本约占整配方成本的40%, 在不改变综合性能的前提下减少固化剂用量将明显降低配方成本。 综合交联密度和硬度数据, 考虑到成本因素, 微波加烘烤条件下, n( -NCO ):n( -OH )达到1. 2是比较理想的选择。 21215 微波干燥对膜厚和底材温度的影响 考虑到是水性双组分应用于木材之上, 木材在高温条件下将发生变形, 微波干燥过程对底材温度和湿膜厚度的影响必须了解。表2为微波干燥后底材温度的变化。 表2 微波干燥后底材温度变化  分析可见, 双组分水性聚氨酯采用微波干燥时单层湿膜厚度建议低于150 um, 而微波干燥过程对木器底材温度增加不多, 可放心应用于木器的干燥。 213 微波干燥的水性双组分聚氨酯与溶剂型双组分聚氨酯产品性能比较 水性与溶剂型双组分PU 产品性能比较列表3。 表3 微波干燥水性双组分聚氨酯与溶剂型产品性能比较  从以上试验分析可看出, 水性双组分完全可以在工业生产中应用, 性能可与传统的溶剂型产品相媲美。采用微波干燥加烘烤的方式可提高干燥速度, 提升生产效率。选择n ( -NCO ) :n(- OH )为1.2即可达到使用要求。 3 结 语 水性双组分聚氨酯的干性制约了其在工业生产上的推广, 经研究发现, 微波干燥加中低温烘烤可解决该问题。采用微波干燥的方案不仅能提高生产效率, 还能减少固化剂用量,减少固化剂与水的副反应。采用微波干燥n( -NCO ) :n ( -OH ) 比为1.2时, 性能可达到室温干燥条件下n ( - NCO ) :n( - OH )为1.5 时的性能, 节约成本的同时保证了漆膜的性能。考察加速干燥后涂料漆膜的性能, 发现快干后的漆膜性能相当于或略高于自然干燥的漆膜性能, 且可与溶剂型涂料媲美。干燥设备所需要增加的投入完全可以被健康环保的卖点所带来的额外利润以及固化剂用量减少所节约的费用所抵消, 并提升了产品档次, 对品牌建设也大有裨益, 是完全可行的。 |
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