陽(yáng)離子聚乙烯蠟乳液對(duì)樹(shù)脂涂膜性能的影響

張 輝，崔燕朋，強(qiáng)西懷，董艷勇 (陜西科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，西安 710021)
摘 要:將陽(yáng)離子聚乙烯(PE)蠟乳液與陽(yáng)離子樹(shù)脂混合成膜，考查了蠟乳液對(duì)涂膜力學(xué)性能、耐水性和耐溶劑性 的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng) 5∶ 55≤m(PE 蠟乳液)∶ m(陽(yáng)離子樹(shù)脂)≤20∶ 40 時(shí)，PE 蠟乳液可改善丙烯酸樹(shù)脂膜和聚氨 酯膜的抗張強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度等力學(xué)性能，并能提高涂膜的耐磨性、耐水性和耐溶劑性。
關(guān)鍵詞:陽(yáng)離子;聚乙烯蠟乳液;樹(shù)脂;涂膜 中圖分類號(hào):TQ 630. 4+ 3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0253 －4312(2013)01 －0012 －04

聚乙烯蠟是高分子蠟的一種，即低聚合度的聚乙烯，相對(duì) 分子質(zhì)量為1 000 ～8 000，具有良好的光澤、硬度、手感以及其 他物理化學(xué)特性 ［1］ 。聚乙烯蠟不溶于水，乳化困難，限制了其 在水性體系中的應(yīng)用 ［2 －3］ 。目前市場(chǎng)上的乳化蠟產(chǎn)品較少， 且大多為非離子和陰離子型，成功的陽(yáng)離子型乳化蠟產(chǎn)品較 少，這是由于陽(yáng)離子型乳化蠟產(chǎn)品不穩(wěn)定，易分層 ［4］ 。在造 紙、涂料、皮革、紡織等行業(yè)中，聚乙烯蠟乳液可改善涂層(膜) 的光澤、光滑、耐剝離、耐水等性能。

在涂料行業(yè)，成膜物是涂膜的重要組成部分，丙烯酸樹(shù)脂 和聚氨酯樹(shù)脂是常用的成膜物，成膜樹(shù)脂及添加劑的選擇對(duì) 涂膜的各項(xiàng)性能至關(guān)重要。本實(shí)驗(yàn)采用自制的陽(yáng)離子聚乙烯 蠟乳液與陽(yáng)離子樹(shù)脂成膜物進(jìn)行成膜實(shí)驗(yàn)，考察蠟乳液用量 對(duì)樹(shù)脂涂膜力學(xué)性能、耐水性和耐溶劑性的影響，為聚乙烯蠟 乳液在涂料行業(yè)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分 

1. 1 原料及儀器 

陽(yáng)離子聚乙烯蠟乳液:自制，O/W 型乳液，固含量為 25%，制備方法和指標(biāo)見(jiàn)參考文獻(xiàn)［5］;URC126:聚氨酯樹(shù)脂 乳液:工業(yè)級(jí)，固含量為 15%，上海福益皮爾卡樂(lè);丙烯酸樹(shù)脂 乳液(ACC179):工業(yè)級(jí)，固含量為 15%，上海福益皮爾卡樂(lè)。

拉伸撕裂機(jī) RT －8003:東莞市華添儀器設(shè)備有限公司;GT －7012 －T 型 Taber 耐磨耗試驗(yàn)儀:東莞高鐵檢測(cè)儀器有限公 司;電子天平 JM10001:余姚紀(jì)銘稱重校驗(yàn)設(shè)備有限公司;恒溫 油浴鍋:鞏義英峪高科儀器廠;電動(dòng)攪拌器:常州國(guó)華儀器廠。

1. 2 成膜實(shí)驗(yàn) 

把陽(yáng)離子聚乙烯蠟乳液與丙烯酸樹(shù)脂/聚氨酯樹(shù)脂按一 定比例加入三口瓶中攪拌均勻，待氣泡完全消失后倒入模板， 保持模板水平放置，通風(fēng)自然干燥。24 h 后從模板上剝離，于 干凈通風(fēng)處繼續(xù)干燥 12 h，再在恒質(zhì)量干燥箱中調(diào)節(jié) 24 h，然 后進(jìn)行涂膜性能的檢測(cè) ［6］ 。

1. 3 涂膜性能檢測(cè)

力學(xué) 性 能: 將 樹(shù) 脂 涂 膜 按 GB/T 528—1998 和 QB/T 3812. 6—1999 方法分別進(jìn)行拉伸和撕裂試驗(yàn)。 

耐磨性能:將樹(shù)脂涂膜按 GB/T 1768—2006 測(cè)定涂膜的 磨損量，樣品尺寸為 Φ100 mm，磨損用橡膠砂輪為 C －10 橡膠輪，負(fù)荷為 250 g，每個(gè)樣品測(cè)試的轉(zhuǎn)數(shù)為1 000轉(zhuǎn)。耐磨性以 涂膜在一定負(fù)載和轉(zhuǎn)速下的質(zhì)量磨損率來(lái)表示，磨損率(S) 按式(1)計(jì)算。

S = ［(m － m 1 ) /m］×100% 式(1)

式中:m—測(cè)試前涂膜的質(zhì)量，g;m 1 —測(cè)試后涂膜的質(zhì)量，g。
涂膜手感:涂膜手感以涂膜硬度來(lái)反映。將樹(shù)脂涂膜按GB/T 6739—2006 進(jìn)行硬度測(cè)試。

耐水性能:通過(guò)測(cè)定涂膜的吸水率來(lái)表征其耐水性能。 膜的吸水率越大，其耐水性越差，吸水率越小，其耐水性越好。 本實(shí)驗(yàn)采用稱質(zhì)量法測(cè)定涂膜的吸水率。

實(shí)驗(yàn)方法:稱取原樣 m，準(zhǔn)確到 0. 001 g，加入該試樣 10 倍 的蒸餾水，若干小時(shí)后取出，用濾紙輕輕吸附涂膜表面浮水， 稱質(zhì)量得 m 1 。計(jì)算方法如式(2)所示。

吸水率 = ［(m 1 － m) /m］×100% 式(2)

式中:m—試樣原質(zhì)量，g;m 1 —試樣浸泡后的質(zhì)量，g。

耐溶劑性:通過(guò)測(cè)定膜在丙酮中的溶脹率來(lái)表征其耐溶 劑性能，膜的溶脹率越大，其耐溶劑性越差，反之則越好。本 實(shí)驗(yàn)采用稱質(zhì)量法測(cè)定涂膜的溶脹率。

實(shí)驗(yàn)方法:稱取原樣 m，準(zhǔn)確到 0. 001 g，加入該試樣 10 倍 的丙酮溶液中，若干小時(shí)后取出來(lái)，用濾紙輕輕吸附表面的浮 液，稱質(zhì)量得 m 1 。計(jì)算方法如式(3)所示。

吸丙酮率 = ［(m 1 － m) /m］×100%式(3)

式中:m—試樣原質(zhì)量，g;m 1 —試樣浸泡后的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2. 1 成膜配方優(yōu)化

將陽(yáng)離子丙烯酸樹(shù)脂乳液和陽(yáng)離子聚氨酯乳液分別與陽(yáng) 離子蠟乳液按一定比例混合，并在一定條件下成膜。成膜實(shí) 驗(yàn)結(jié)果表明，陽(yáng)離子聚乙烯蠟乳液無(wú)論是與陽(yáng)離子丙烯酸樹(shù) 脂乳液還是與陽(yáng)離子聚氨酯乳液混合成膜，當(dāng) m(PE 蠟乳液) ∶ m(樹(shù)脂) ＞20∶ 40(此處質(zhì)量為液體質(zhì)量)時(shí)，涂膜干燥后會(huì) 出現(xiàn)較多裂痕，這是由于聚乙烯蠟本身質(zhì)脆，硬度較大。故制 定成膜方案如表 1 所示。

2.2 蠟乳液用量對(duì)涂膜抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響 

對(duì)按表 1 中成膜配方制成的一系列涂膜進(jìn)行了抗張強(qiáng)度 和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)試，結(jié)果如圖 1、圖 2 所示。 由圖1 和圖2 可以看出，隨著蠟乳液用量的增加，丙烯酸樹(shù) 脂膜和聚氨酯膜的抗張強(qiáng)度都有所提高，而斷裂伸長(zhǎng)率略為降低。但丙烯酸樹(shù)脂膜和聚氨酯樹(shù)脂膜的斷裂伸長(zhǎng)率仍分別保 持在850%和500%以上，完全可滿足實(shí)際使用的要求。實(shí)驗(yàn)選 用的丙烯酸樹(shù)脂膜和聚氨酯膜本身為大分子軟樹(shù)脂，涂膜的彈 性好，但抗張強(qiáng)度略為不足，而聚乙烯蠟分子是線型碳鏈，相對(duì) 分子質(zhì)量較小，涂膜較硬，當(dāng)5∶55≤m(PE 蠟乳液)∶ m(樹(shù)脂)≤ 20∶40 時(shí)，與兩種樹(shù)脂共混可在一定程度上提高涂膜的強(qiáng)度。

2. 3 蠟乳液用量對(duì)涂膜撕裂強(qiáng)度的影響
對(duì)按表 1 中成膜配方制成的一系列涂膜進(jìn)行了撕裂強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如圖 3 所示。

由圖3 可知，在丙烯酸樹(shù)脂乳液和聚氨酯乳液中加入陽(yáng)離子 聚乙烯蠟乳液，涂膜的撕裂強(qiáng)度均有所增強(qiáng)，且在一定范圍內(nèi)涂 膜的撕裂強(qiáng)度與蠟乳液用量成正比關(guān)系。這是由于蠟乳液與丙烯酸樹(shù)脂乳液和聚氨酯乳液共混后，較小的聚乙烯分子與樹(shù)脂分 子鏈在一定程度上接近并纏繞，使得分子鏈的強(qiáng)度得到一定程度 增強(qiáng)，在撕裂過(guò)程中單個(gè)高分子鏈所能承受的載荷變大。

2. 4 蠟乳液用量對(duì)涂膜耐磨性能的影響

 對(duì)按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進(jìn)行了耐磨性測(cè) 試，結(jié)果如圖 4 所示。

由圖 4 可知，加入聚乙烯蠟乳液后，聚氨酯和丙烯酸涂膜 的磨損率最少分別降低到 0. 05% 和 0. 15%，隨著蠟乳液質(zhì)量 的繼續(xù)增加，涂膜的磨損率有所增加，但遠(yuǎn)低于純樹(shù)脂涂膜的 磨損率。這是 2 種效應(yīng)共同作用的結(jié)果，即一方面聚乙烯蠟 具有較低的摩擦系數(shù)，在成膜過(guò)程中，蠟會(huì)逐漸向涂膜的表層 遷移，形成致密的薄膜，在摩擦過(guò)程中起到減摩抗磨的作用， 因而加入蠟乳液后，涂膜的耐磨性提高;但另一方面，聚乙烯 蠟是一種內(nèi)聚力較強(qiáng)的疏水性物質(zhì)，與極性的樹(shù)脂相容性較 差，當(dāng)蠟乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時(shí)，遷移到涂膜表面的蠟易 于在摩擦過(guò)程產(chǎn)生磨損，因而耐磨性有所下降。

2. 5 蠟乳液對(duì)涂膜手感的影響 

對(duì)按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進(jìn)行了硬度測(cè)試， 結(jié)果如表 2 所示。

由表 2 可以看出，加入聚乙烯蠟乳液后，樹(shù)脂涂膜的硬度 都有所增加，且在一定范圍內(nèi)涂膜的硬度保持不變。這是由 于聚乙烯蠟本身質(zhì)脆，硬度較大，在與較軟的樹(shù)脂共混成膜 后，兩者的相互作用，使樹(shù)脂涂膜的硬度增強(qiáng)。

2. 6 蠟乳液用量對(duì)涂膜耐水性的影響 

對(duì)按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進(jìn)行了耐水性測(cè) 試，結(jié)果如圖 5 所示。 

由圖 5 可以看出，加入聚乙烯蠟乳液后，丙烯酸樹(shù)脂膜和 聚氨酯膜的吸水率都有所降低，且隨著蠟乳液用量的增加，涂膜的吸水率逐漸減小。這是由于丙烯酸樹(shù)脂和聚氨酯分子鏈 較大，具有眾多的極性基團(tuán)，而聚乙烯蠟分子主要是疏水性的 烷烴鏈，極性小，對(duì)水的親和性小，因此吸水率越小。由此可 見(jiàn)，聚乙烯蠟乳液可增強(qiáng)涂膜的耐水性。

2. 7 蠟乳液用量對(duì)涂膜耐溶劑性能的影響 

對(duì)按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進(jìn)行了耐溶劑性測(cè) 試，溶劑選用丙酮。結(jié)果如圖 6 所示。

由圖6 可知，加入陽(yáng)離子聚乙烯蠟乳液后，丙烯酸樹(shù)脂膜和 聚氨酯膜在丙酮中的溶脹率減小，即其耐丙酮性能增強(qiáng)。由于常 用的丙烯酸樹(shù)脂類和聚氨酯類涂飾劑的耐有機(jī)溶劑如丙酮、甲 苯、二甲苯等性能欠佳，源于它們自身分子極性較強(qiáng)，而極性較小 的聚乙烯蠟乳液的混入有利于涂膜耐溶劑性能的提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)陽(yáng)離子 PE 蠟乳液分別與常用的陽(yáng)離子聚氨酯樹(shù)脂和丙烯酸樹(shù)脂混合成膜，當(dāng) 5∶ 55≤m(PE 蠟乳液)∶ m(樹(shù)脂)≤20∶ 40 時(shí)，不會(huì)對(duì)涂膜的手感和性能造成負(fù)面影響。
(2)陽(yáng)離子 PE 蠟乳液可改善丙烯酸樹(shù)脂膜和聚氨酯膜的抗張強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度等力學(xué)性能，并能提高涂膜的耐水性、耐磨性和耐溶劑性。

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