0 前言
水性木器涂料是以水为分散介质的一类涂料，按包装形式可以分为单组分和双组分两大类，目前大量使用的仍以单组分为主，成功应用于水性木器涂料的树脂成膜物主要有醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和聚氨酯-丙烯酸树脂。但是由于单组分成膜物质交联密度低，硬度低则打磨性不好，硬度高则成膜性不佳；此外还有初期硬度建立慢、附着力不好等问题，更是由于木材吸湿的特性，在涂布了一道水性木器底漆后，木材的导管发胀，需要多道工序才能做出平整的样板，因此，开发出一支优秀的水性木器透明底漆甚为需要。
硅溶胶是外观为乳白色半透明的胶体溶液，多呈碱性，少数呈酸性。硅溶胶中的SiO2的浓度一般为10%～35%，浓度高时可达50%。硅溶胶粒子比表面积为50～40 m2/g，粒径范围一般在5～100 nm，即处于纳米尺度范围，与一般粒径为0.1～10 μm的乳液相比，其颗粒要小一些。
硅溶胶的胶团结构式如下：
2 讨论与分析
表5、表6表明，随着树脂添加量的减少，样品的成膜性在下降。通过本试验，可得羟基高聚物1和硅溶胶的比例介于A和B之间。后续选择B的比例做后续试验。
硅溶胶粒子的内部结构为硅氧烷键(—Si—O—Si—)，表面层由许多硅羟基(—SiOH)和羟基(—OH)所覆盖，它们同胶体溶液中存在的碱金属离子一起形成扩散双电层，粒子间的静电排斥作用导致溶胶的稳定。
硅溶胶具有如下特点：
(1)硅溶胶是低黏度的胶体溶液，分散性好，可充分浸入填充到固体物，特别是多孔性物质中，并使其表面平滑；
(2)硅溶胶具有良好的黏接性，通过干燥或者烧结，可形成坚固的膜，不仅成膜温度较低，而且一旦成膜就不会被水溶解；
(3)硅溶胶粒子表面的硅羟基和吸附水可提高润湿性，通过金属离子取代硅溶胶的部分硅原子可以控制硅溶胶的带电性；
(4)硅溶胶具有优良的反应性，并能在均相进行，通过与有机树脂的均匀混合，可改进其机械、光学及电性能。
本文选择硅溶胶作为主要成膜物质，研究其成膜的影响因素，并选择原料，协助硅溶胶成膜，发挥硅溶胶成膜后耐水性好、硬度高、干速快的特性，渗透到基材空隙中封固基材，开发一种优秀的水性木器透明底漆。
1 试验部分
1.1 主要原材料和仪器设备
羟基高聚物1、羟基高聚物2：工业级，嘉宝莉化工；羟基高聚物3：工业级，欧宝迪树脂；硅溶胶：工业级，广东佛山南海中发水玻璃厂；成膜助剂DPnB、成膜助剂DPM、pH值调节剂：工业级，陶氏化学；消泡剂、基材润湿剂：工业级，迪高；增稠剂、流变剂：工业级，广州松尾贸易；打磨助剂：工业级，海名斯 · 德谦化学；防霉剂：工业级，进口；改性氨基硅烷偶联剂1、水性环氧基有机硅烷偶联剂2、水性环氧基有机硅烷偶联剂3，工业级，道康宁。
硅溶胶性能指标如表1所示，高聚物性能指标如表2所示，所用器材如表3所示。
1.2 制备工艺
基于各水性木器清漆的制备工艺：将高聚物加入分散罐中，依次加入流变剂、消泡剂、助溶剂、pH值调节剂，1 200 r/min快速分散均匀；慢慢加入硅溶胶、打磨助剂、防霉剂、H2O，800 r/min中速分散10 min；加入增稠剂和硅烷偶联剂，800 r/min中速分散10 min，检测得黏度为(35±2) s后过滤出料。
2 讨论与分析
2.1 高聚物树脂的选择
硅溶胶成膜后为三维网状结构(骨架结构)，涂膜脆，刚性比较强，若用砂纸打磨容易整层打磨掉涂膜，而且仍残留较多的硅醇键，耐水性也不好。根据硅溶胶成膜的机理，选择含有羟基的高聚物，与其起协同作用成膜，平衡其刚性，以提高涂膜的韧性和耐水性、涂膜连整性。
分别选择了3种含羟基的水性高聚物添加到硅溶胶中，做成膜性评估和基础性能试验。试验结果见表4。
表4表明，在高聚物的协同下，能帮助硅溶胶成膜，且耐水性也得到提高。与普通纯有机水性木器清底漆相比，硅溶胶有防涨筋效果。其原理主要是利用了硅溶胶细粒径和高渗透性，在成膜后，进入木材木质素、纤维素和半纤维素的空隙，屏蔽了这3种物质的活性羟基，抑制其吸湿性和填充堵塞树脂管，起到防涨筋效果。但是在打磨性测试方面，涂膜仍存在刚性，容易被磨穿，裸露底材。因此后续需要添加其他协同助剂，帮助硅溶胶和高聚物完全交融。但是高聚物1和高聚物3在稳定性测试方面表现较差，主要是由于碱性硅溶胶碱性偏高，导致体系高聚物不稳定。因此选择高聚物2做后续试验。由于硅溶胶形成完整涂膜后，为类似于玻璃态的涂膜，有着优秀的耐水性和封闭性。同时应该可以封固基材，起到防止基材发胀的功效，但是需要其他助剂的协同作用，才能很好地成膜，形成完整的涂膜，因此，做以下助剂协同试验。
2.2 助溶剂的协同试验
2.2.1 试验1
更改羟基高聚物2的低成膜温度，设定成膜助剂添加量，改变硅溶胶和树脂不同比例(见表5)，测试成膜性及其他性能，结果见表6。
2.2.2 试验2
乙酸乙酯在碱性条件下会发生水解反应，释放出H+，是潜伏的酸试剂，可促进硅醇键的反应。以试验1的样品2配方为基础配方(见表7)，进行以下试验，结果见表8。
表8表明，样品1和样品2对比，反映乙酸乙酯有助于体系成膜，也即印证了乙酸乙酯有助于硅溶胶凝胶，同时由于乙酸乙酯挥发性强，有助于提高涂膜干速。但是其气味随着量的加大在加重，因此添加不宜过多。选择样品2的添加量为后续试验添加量。
2.2.3 试验3
不同的醇类溶剂，含有不同类型羟基，在硅溶胶硅醇键缩合反应中起引发作用，能帮助硅溶胶更好地完成缩合反应，降低硅醇键残余量。以试验1的样品2配方为基础配方进行如表9试验，添加不同类型的醇类溶剂测试涂膜的成膜性和耐水性。
表9表明，试验选择的3种醇，二丙酮醇和丙二醇有助于涂膜成膜，印证了设想，但是由于二丙酮醇气味较重，不宜选择。同时通过耐水性检测可得，丙二醇不但有助于涂膜成膜，同时提高了涂膜的耐水性并降低了涂膜干速，表现为可打磨时间延长了。
综合上述试验，根据GB/T 18582对水性木器涂料VOC的要求，对助溶剂的添加量进行平衡，添加量分别为：DPnB为2%，DPM为1.5%，乙酸乙酯为2%，丙二醇为1%。
综合上述试验，根据GB/T 18582对水性木器涂料VOC的要求，对助溶剂的添加量进行平衡，添加量分别为：DPnB为2%，DPM为1.5%，乙酸乙酯为2%，丙二醇为1%。
2.3 偶联剂的协同试验
2.3.1 试验1
根据硅烷偶联剂水解产生的Si—OH键能与硅溶胶的硅醇键反应，偶联剂中的Y基团将与有机高聚物相互作用，终搭起无机填料与有机物之间的桥梁。但是硅烷偶联剂的品种很多，通式中Y基团的不同，偶联剂所适合的聚合物种类也不同，这是因为基团Y对聚合物的反应有选择性，以2.2试验1的样品2配方为基础配方(见表10)，进行以下试验，结果见表11。表11表明，硅烷偶联剂的添加，有助于涂膜成膜，但是改性氨基硅烷偶联剂1活性较高，加入后体系不稳定，样品很快就凝胶坏掉，因此不宜选择。而环氧基有机硅烷偶联剂2和3对涂膜的耐水性提高不同，偶联剂3稍好，且稳定性环偶联剂3也好于2，因此选择偶联剂3作为本体系的硅溶胶的改性物。
2.3.2 试验2
试不同偶联剂WE005添加量(见表12)对体系成膜性的帮助，结果见表13。
表13表明，随着水性环氧基有机硅烷偶联剂3添加量的增加，耐水性在提高，但是添加量为1%和1.5%差异不大。由于水性环氧基有机硅烷偶联剂单价比较高，因此添加量选择为1%。
2.4 脱水剂的协同试验
利用脱水剂的功效，促进硅溶胶硅醇键的缩合反应，添加脱水剂磷酸三聚氰胺、聚磷酸铵，提高硅溶胶缩合度，以2.3试验2样品2配方为基础配方(见表14)进行以下试验，结果见表15。
表15表明，磷酸三聚氰胺促进作用较剧烈，添加时，硅溶胶就出现了凝胶现象，不易使用。聚磷酸铵则温和，对涂膜综合性能的提高无明显作用，而且在干燥过程有析出导致涂膜返粗现象。
2.5 打磨助剂的协同试验
本产品开发为水性透明清底漆，因此要求其打磨性，在2.1和2.2试验1中有测试过体系的打磨性，可以出粉，但是由于硅溶胶的刚性，容易打磨滑而表现为打磨性不好，因此需要添加打磨助剂(水性硬脂酸锌浆)，以提高涂膜打磨性，以2.3试验2样品2配方为基础配方(见表16)进行以下试验，结果见表17。
表17表明，打磨助剂加入对提高体系打磨性非常明显，但同时也带入负面作用，随着添加量的增加，涂膜的透明性和耐水性均有所下降，因此需要平衡总体性能，因此选择打磨助剂添加量为1.5%。
2.6 配制产品与普通透明底漆性能对比
综合以上试验，平衡综合性能后，确定产品配方，配制样品和水性丙烯酸树脂为成膜物质的透明底漆喷涂样板，进行综合性能对比，试验结果如表18所示。
表18表明，以硅溶胶为主要成膜物的水性木器透明底漆，与水性丙烯酸树脂体系的水性木器透明底漆相比，硬度、干速、耐水性、初期抗压和防涨筋效果等性能都胜出一筹，达到本研究的目的。
3 结语
(1)选择羟基高聚物，添加量为32%，其羟基能和硅溶胶的硅醇键起协同作用，而有助于硅溶胶凝胶成膜。
(2)根据GB/T 18582对水性木器涂料VOC的要求，对助溶剂的添加量进行平衡，添加量分别为：DPnB为2%，DPM为1.5%，乙酸乙酯为2%，丙二醇为1%。
(3)添加1%的水性环氧基有机硅烷偶联剂3帮助硅溶胶和高聚物间的交融。
(4)打磨助剂添加量为1.5%。
综合以上，以硅溶胶为主要成膜物，占配方比例为65%，开发出的水性透明底漆，具有硬度高、干速快硬度建立快、初期抗压性好、耐水性优、附着力好、打磨性好等优势。
