聚烯烃木塑复合材料的表面涂饰性能1) 聚烯烃木塑复合材料的表面涂饰性能1)

聚烯烃木塑复合材料的表面涂饰性能1)

  • 期刊名字:东北林业大学学报
  • 文件大小:307kb
  • 论文作者:赵胜男,王海刚,杨伟军,谢延军,王清文
  • 作者单位:生物质材料科学与技术教育部重点实验室 东北林业大学
  • 更新时间:2020-08-11
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论文简介

第41卷第6期东北林业大学学报Vol 41 No 62013年6月JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYJun. 2013聚烯烃木塑复合材料的表面涂饰性能1赵胜男王海刚杨伟军谢延军王清文(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学),哈尔滨,150040)摘要通过涂饰来提高木塑复合材料(WPC)的抗老仳性能和赋予不冋的装饰效果,是提高WPC的附加值和拓展其应用领域的重要途径。选用木蜡油、丙烯酸酯、聚氨酯、氟碳、有机硅和丙烯酸聚氨脂等6类共16种涂料,以自制的聚乙烯(門E)基木塑复合材料和聚丙烯(PP)基木塑复合材料为试材进行了涂饰,通过涂料接触角和漆膜附着力测试等方法对木塑复合材料的涂饰性能进行了评价。结果表眀:涂料与聚乙烯基木塑复合材料的接触着力因涂料的种类和品种不同而异,多数涂料在聚丙烯基木塑复合材料的附着力略高于聚乙烯基木塑复合材料。综合考虑涂料接触角、漆膜附着力和外观等因素,以木蜡油、聚氨酯、丙烯酸聚氨酯、氟碳和有机硅为主要成膜物质的涂料对木塑复合材料的表面涂饰性能较妤,其中有杋硅和丙烯酸聚氨酯涂料更优。关键词木塑复合材料;老化;涂饰分类号TQ630.9Surface Coating Performance of Polyolefin-Based Wood-Plastic Composites/Zhao Shengnan, Wang Haigang, YangWeijun, Xie Yanjun, Wang Qingwen( Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology, Ministry of Education,Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China )//Journal of Northeast Forestry University. -2013, 41(6).-114-119Coating is a key pathway to increase the added value and expand applications of wood -plastic composite(WPC)byenhancing its anti-aging properties and decorative effects. Six types and sixteen kinds of coatings, such as wood wax, acrylate, polyurethane, fluorocarbon, silicone and acrylic polyurethane based coatings, were employed to paint polyethylenePE)-based and polypropylene( PP)hased WPC samples. The coating contact angle and film adhesion were tested to ealuate the finishing performance. The contact angle of PE-based WPC is lower than that of PP-based WPC, while the contact angle between waterborne coating and WPC material is higher than that of organic solvent coating based on the samefilm-forming resin. The film adhesion varies from the types and the kinds of the coatings, while the film adhesion betweenPP-based WPC and most coatings are slightly higher than that of PE based WPC. Considering the factors of the coatingcontact angle, the film adhesion and the appearance, the coatings with wood wax, polyurethane, acrylic polyurethane, fluorocarbon and organic silicon are good, and the coatings with the organic silicon and acrylic polyurethane are betterKeywords Wood-plastic composites; Aging; Coating木塑复合材料(Wood- plastic composites,缩写添加着色剂来实现,其色彩的明亮度和饱满度有局为WPC)是一类以热塑性聚合物为基质,以木质纤限性维材料为填充增强材料,通过熔融复合制备的新型国内外多采用在WPC中添加抗老化助剂的方复合材料,因其具有绿色环保、可再生利用的突出优法来减缓材料表面降解,提高其抗老化性,而昂贵的势而越来越被人们所重视。由于wPC充分体现了抗老化助剂不仅分布于需要防护的WPC表层而且资源节约、健康环保、循环经济、可持续发展等一系大量存在于芯层,无谓地增加了产品的成本。于是,列的先进理念,已开始广泛应用于建筑装饰、园林景人们开始在WPC的表层做文章,如在其表面形成屏观、汽车工业、运输等众多领域2。在户外应用蔽层以减缓WPC表面老化行为的发生,进而阻碍内中,wP℃制品暴露在阳光和水分等环境下,不仅制层老化行为。目前最流行的做法是采用共挤技品颜色褪色和力学性能下降,每年造成百万美元材术在材料表面共挤一层高耐候性的表层,例如在普料的损失3,而且表观性能也大受影响,如出现发通的聚氯乙烯(PVC)基WPC表层共挤一层丙烯酸黄或褪色等现象3,因此户外用wPC的耐久性问酯类橡胶体与丙烯腈、苯乙烯的接枝共聚物(ASA)题受到越来越多的关注。此外,wP℃的颜色主要靠改性料,或者在普通的聚烯烃基WPC表面共挤一层具中国煤达到表面包覆,产生耐1)国家林业公益性行业科研专项重大项目(201204802);中央可以达到较好的耐候高校基本科研业务专项资金项目( DLIIBB37)。性CNMHG第一作者简介:赵胜男,女,1989年2月生,生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学),硕士研究生的问题也有待解决的问,且与底材的黏合性差通信作者:王清文,生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学),教授。E-mlil:quang@nefu.edu.cn。作为一种常用的材料抗老化和表面装饰方法收稿日期:2013年1月29日涂饰具有成本低廉、操作简便、色彩可调等优点。然责任编辑:潘华第6期赵胜男等:聚烯烃木塑复合材料的表面涂饰性能而,WPC表面涂饰研究尚处于起步阶段。本文选取亮丰满2抗老化性能较好的成膜物质不同的涂料,包括木蜡实验仪器:SJSH30/SJ45型双阶塑料挤出机组油、丙烯酸酯、聚氨酯、氟碳、有机硅和丙烯酸聚氨酯南京橡塑杋械厂υHG-9140型电热恒温干燥箱,上等6大类共16种涂料,在聚乙烯(PE)和聚丙烯海一恒实验仪器有限公司;SFY系列卤素快速水分(P)两种基体的木塑复合材料上进行涂饰,通过测定仪,深圳冠亚电子科技有限公司;AT-A型自动接触角与漆膜附着力测试等方法进行涂饰性能对附着力测试仪,德国 Defelsko公司;OCA20型接触角比研究。测试仪,德国 Pataphysics公司。材料与方法WP(试件的制备:按比例准确称量各原料和助剂,其中木粉添加量60%,塑料添加量5%,采用马实验原料:杨木粉(粒径40~80目、干燥后含水来酸酐接枝聚烯烃作为偶联剂,添加量4%,润滑剂率≤2%),产地黑龙江省拜泉县;高密度聚乙烯添加量1%。用高速混合机搅拌10min使其充分混(HDE,型号5009),产地中国石油大庆石化公司;合,采用JSH30/SJ45双阶挤出机组挤出成型,试样聚丙烯(PP,牌号T30s),产地中国石油大庆石化公截面尺寸为40mm×4mm。将制备的WPC片材裁司;马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)、马来酸酐接枝聚成尺寸为250mm×40mm×4mm的试件备用。丙烯(MAPP)、石蜡市场均有售按以下步骤涂饰试件:1)依次采用水砂纸150表1涂料种类目(第1、2遍)、320日(第3、4遍)、400日(第5遍)涂料编号涂料名称生产商打磨砂光,吹扫。2)WPC试件在打磨光滑后,按三1木蜡油(棕)香港桑阁实业有限公司底两面的涂饰工艺进行涂饰,待每次涂层全部干燥2木蜡油(黄)香港桑阁实业有限公司3丙烯酸酯(水性乳胶漆鹤山市米奇涂料有限公司后,再进行下次涂饰,干燥时间根据涂料品种而定。4聚氨酯紫荆花"叶氏化工集团有限公司3)涂饰过程中的环境条件参照国家标准GBT92785聚氨酯2鹤山市米奇涂料有限公司88,其中空气温度为(23±2)℃、相对湿度为(50±6聚氨酯2+聚氨酯底漆鹤山市米奇涂料有限公司5)%,涂层在室温条件下干燥。氟碳1天津市辰光化工涂料有限公司氟碳1+氟碳底漆天津市辰光化工涂料有限公司涂饰性能测试:1)接触角测试:将打磨后未涂9氟碳2石家庄市金鱼氟碳涂料有限公司饰的WPC试材裁成尺寸为40mm×40mm的小试10有机硅1(水性)广州市诺康化工浙江宏创新材料有限公司件,在OCA20接触角测试仪上进行测试,而涂有底11有机硅2(HC-6803)12有机硅3(HC-1801浙江宏创新材料有限公司漆的试件则直接在底漆上测试;测定方法为躺滴法13丙烯酸聚氨酯(水性)紫荆花”叶氏化工集团有限公司(座滴法),液体的体积为一个单位,液滴的停留时14丙烯酸聚氨酯(磁漆)北京紫禁城漆业有限公司间为60s,测定温度为室温。2)漆膜附着力测试:参15丙烯酸聚氨酯磁漆+硝基底漆北京紫禁城漆业有限公司丙烯酸聚氨酯磁漆+塑料底漆北京紫禁堿漆业有限公司照GB/T5210-2006方法,采用AT-A自动附着力测表1中的涂料按成膜物质分为木蜡油水性丙试仪测试漆膜附着力拉拔速率为0.7MP。烯酸酯树脂(乳胶漆)、聚氨酯、氟碳树脂漆、有机硅2结果与分析(聚硅氧烷树脂漆)、丙烯酸聚氨酯树脂漆6类。其中木蜡油为植物油和植物蜡,耐磨耐擦,防水防潮,2.1涂饰后WPC的外观防紫外线耐候性好-;丙烯酸酯(水性)涂膜具有图给出了透明、浅色和深色3种典型外观的涂料聚氨酯漆+聚氨酯底漆(涂料6)、氟碳Ⅰ+氟碳醋涂料具有许多优良性能在国防、基建化工防腐、底漆(涂料8)和丙烯酸聚氨酯磁漆+塑料底漆(涂车辆、飞机、木器、电气绝缘等各方面都得到广泛的料16在PE基WPC和P基PC表面涂饰后的外应用;氟碳树脂漆具有非常优良的耐候性,但观效果价格较贵主要用于高耐候要求和不便维护的场从外观看,涂有透明清漆涂料6的试样与空白合“;有机硅(聚硅氧烷树脂漆)面漆是目前耐候样差驯不大可计wP的太色全部显现若想获得性最好的面漆,在国外已开始应用于海上环境,限制不同中国煤化工增加不同颜色的色浆有机硅使用的主要原因是价格问题;丙烯酸聚氨来CNMHG由于PE基与PP基酯树脂漆含羟基丙烯酸酯与脂肪族多异氰酸酯,如W℃本身的外观差异,涂透明清漆的涂料试样表面三聚体反应而成的丙烯酸聚氨酯漆,漆膜具有很好色泽会有不同程度的差异,表现出来的主要是底材的硬度、柔韧性、耐腐蚀性和突出的耐候性,漆膜光颜色,而涂有色涂料的试样两者没有差别,涂层很好地将底材覆盖,东北林业大学学报第41卷空涂涂涂白料涂料料涂料料样6816涂涂68168aPE基WPCb.PP基wPC图1经不同涂料涂饰后两种WPC的外观2.2涂料接触角认为初始接触角对应于基材表面疏水性组份的贡液体在材料表面浸润性的好坏通常用液滴在材献,而平衡接触角则对应于基材表面亲水性组份的料表面形成的接触角来表征,接触角越小,液体对固贡献。对于本文而言,初始接触角对应于WPC体表面的浸润性就越好。为了研究涂料在WPC表表面对涂料排斥组份的贡献,平衡接触角则对应于面的浸润性,本文测试了6类16种涂料在PE基和WPC表面对涂料亲和组份的贡献。PP基两种WPC上的接触角,并选取聚氨酯漆、氟碳表3不同涂料在PP基WPC表面各涂料的接触角漆和丙烯酸聚氨酯磁漆3类涂料,分别测试了在有初始值(0s)/(°)结束值(60s)/(°)60s接触角涂料种类无底漆存在下的浸润性,以作为对比来考查底漆的平均值标准差平均值标准差降幅/%1木蜡油棕)13.69188影响。2木蜡油(麦子黄).323.327.080.482.2.1不同涂料在WPC上的接触角3丙烯酸酯(水性119.221,3497603,1918.13表2和表3列出了不同涂料在两种基体WPC4聚氨酯1110.642.9860.241.4745.55材料表面接触角的测试结果。表中的初始值和结束5聚氨酯252.720.7437.790.6828值分别代表涂料在木塑材料表面的初始接触角和平6聚氨酯2+底漆氟碳62.05衡接触角,初始接触角是液滴刚接触材料表面时的8氟碳1+底漆65.393.3438.930.0840.46接触角测试值,平衡接触角是60s后(液滴在材料氟碳255.450.9116.222.370.7表面的接触角几乎不再变化)测定的接触角。10有机硅1(水性126.291.74111.521.5111.70表2不同涂料在PE基WPC表面各涂料的接触角11有机硅2H611,167.763.4087,80初始值(0s)/(°)结束值(60s)(°)60s接触角12有机硅3HC-180149,186,546.422.0586.95编号涂料种类平均值标准差平均值标准差降幅/%丙烯酸橐氨酯(水性72.944.1460.130.9717.561木蜡油(棕I8370.9048.0314丙烯酸聚氨酯(磁漆)65.883.7216.592.1974.822木蜡油(麦子黄6.400.32.1315丙烯酸聚氨酯磁漆+硝基底漆39.242.8130.150.2723.173丙烯酸酯(水性833.8381.7834.16l6丙烯酸聚氦酯磁漆+塑料底漆42.460.8533.730.5320.564聚氨酯85.190.3948.921.0042.58两种木塑复合材料对于6类涂料的浸润性有比5聚氨酯26468.080.9781.486聚氨酯2+底漆较类似的结果,对于水性涂料3号、4号、10号浸润56,936,3121.002,15637氟碳41.485.8376.49性较差,这是由WPC中的憎水组份PE、PP导致的8氟碳1+底漆6.383.4841.650.6737.26木蜡油涂料对于WP材料表面的初始接触角较低9氟碳248.9583.78说明木塑表面对木蜡油的排斥组份作用较小。而其10有机硅1(水性)1410636934-38184他的油性涂料除聚氨酯1号涂料外,各种涂料的初1有机硅2HG680356.573.766.491始接触角的数值在35~66范围内,无明显的规律12有机硅3HC-180149.649.357.033.0285.8413丙烯酸聚氨酯(水性)67.037.6124.521.9863.42中国煤化工采用的溶剂各不相同14丙烯酸聚氨酯(磁漆)48.67655.560.9888.58性而HCNMHG浸润性各异。对于平15丙烯酸聚氨酯磁漆←硝基底漆35.831.0226.171.1126.96衡接触角,除木蜡油外,氟碳、有机硅2和有机硅316丙烯酸聚氨酯5047,83丙烯酸聚氨酯(磁漆)的测定值也较低,说明经过关于初始接触角的物理意义报道很少,王新平段时间后,WPC表面对这几种涂料的亲和组份起到等通过研究聚合物表面水的接触角随时间的变化,了主导作用第6期赵胜男等:聚烯烃木塑复合材料的表面涂饰性能此外,从数据的总体趋势看,涂料与PEΣ基wPC酯2+聚氨酯底漆的接触角比直接涂5号聚氨酯2的接触角要小于涂料与PP基WPC的接触角。面漆的接触角大,但在PP基WPC底材上涂6号聚2.2.2不同面漆和底漆在WPC上的接触角氨酯2+聚氨酯底漆的WPC试样表现出涂有底漆的涂底漆的目的是在被涂物件表面与随后的涂层接触角比直接涂5号聚氨酯面漆的接触角要小,且之间创造良好的结合力,形成涂层的坚实基础,并且效果明显。图中4号聚氨酯1与5号聚氨酯唼接妾触提高整个涂层的保护性能角有一定差异,可见同种成膜物质聚氨酯不同品牌1)聚氨酯涂料的涂料,接触角大小会有不同由图2可知,底材为PE基WPC,涂有6号聚氨4聚氨2+聚氨酯底漆2+聚氨酯底漆050500506时间/s时间/sa.PE基WPCb.PP基WPC图2不同聚氨酯涂料在两种WPC底材上接触角的变化趋势2)氟碳涂料号氟碳1面漆的接触角;不同种氟碳涂料面漆直涂由图3可知,涂氟碳涂料的PE基wPC与P的曲线吻合,变化差异很小,涂有氟碳底漆的接触角基wP℃总体变化趋势相同,接触角变化效果不明要大于氟碳面漆直涂的。显,但涂8号氟碳1+氟碳底漆接触角要大于直涂77氟碳〓7氟碳.8碳2“和碳8氟碳1+氟碳底9氟碳20000时间/s时间/sa.PE基WPCb.PP基WPC图3不同氟碳涂料在两种WPC底材上接触角的大小3)丙烯酸聚氨酯涂料涂饰最重要的保护和装饰作用。由图4可知,15号和16号底漆不同,但与涂同2.3.1涂料在P基WPC上漆膜附着力的大小种面漆14号丙烯酸聚氨酯磁漆相比,在PE基WPC由图5可知,在P基WPC底材上涂料13号丙上塑料底漆略好于硝基底漆,在P基wP℃,硝基底烯酸聚氨酯(水性)的漆膜附着力达到最大值1.52漆略好于塑料底漆PAl中国煤化工膜附着力最小,最小值2.3漆膜附着力为CNMHG水性)和11号有机硅漆膜附着力是指漆膜与被附着物体表面之间,2(HC-6803)次之,附着力大小为0.7MPa,其余涂通过物理和化学力作用结合在一起的坚牢程度,是料的漆膜附着力在1.2MPa左右,其中涂料12号有涂层性能的主要测试指标之一31。只有漆膜具有机硅3(HC-1801)和涂料16号丙烯酸聚氨酯磁漆+定的附着力,才能很好的附着在底材上,才会发挥塑料底漆的漆膜附着力大小在1.5MPa左右。东北林业大学学报第41卷13丙烯酸聚氨酯水性14丙烯酸聚氨酯磁漆15丙烯酸聚氨酯磁漆硝基底〓·16丙烯酸聚氨酯磁漆塑料底13丙烯酸聚氨酯水性量燃两烯酸聚磁漆滴基底16丙烯酸聚氨酯磁漆塑料底物:=:一0102030405060时间/s时间/sb.PP基WPC图4不同丙烯酸聚氨酯涂料在两种WPC底材上接触角的大小1木醋油(棕)1.511352木醋油(黄)1.283丙烯酸酯(水性)1.164聚氨酯1聚氨酯2聚氨酯2+聚氨酯底漆乏警氟碳8氟碳1+氟碳底漆9氟碳210有机硅1(水性)1有机硅2HC-680312有机硅3HC-180113丙烯酸聚氨酯(水性)14丙烯酸聚氨酯(磁性)15丙烯酸聚氨酯磁漆+硝基底漆16丙烯酸聚氨酯磁漆+塑料底漆T678910111213141516涂料编号图5PE基WC各种涂料漆膜附着力2.3.2涂料在PP基WPC上漆膜附着力的大小次之,附着力大小为0.MPa其余涂料的漆膜附着由图6可知,在P基WPC底材上涂料16号丙力在1.MPa左右,其中涂料1号木蜡油棕)、12烯酸聚氨酯磁漆+塑料底漆的漆膜附着力达到最大号有杋硅3(HGl8σⅠ)、14号丙烯酸聚氨酯(磁漆)值1.g4MPa,涂料ll号有机硅2(HC-6803)的漆膜的漆膜附着力均在1.6MPa左右。附着力最小,最小值为0.47MPa,涂料5号聚氨酯21木醋油(棕)2.02木醋油(黄)1643丙烯酸酯(水性)聚氨酯15聚氨酯26聚氨酯2+聚氨脂底漆1.077氟碳18氟碳1+氟碳底漆10有机硅1(水性)11有机硅2HC-680312有机硅3HC-180113丙烯酸聚氨酯(水性)V凵中国煤化工狐性贰脂磁漆+硝基底漆9101112131415CNMH〔酯磁漆+塑料底漆涂料编号图6PP基WPC各种涂料漆膜附着力由图5和图6对比可知,底材为wP℃时,涂底稍有提高或与直接面涂的漆膜附着力大小接近持漆的同种涂料,涂底漆后比直接面涂时漆膜附着力平。不同厂家的同种涂料(成膜物质相同),但因配第6期赵胜男等:聚烯烃木塑复合材料的表面涂饰性能方个体差异,附着力大小会有不同。在同种木蜡油中增加不同色浆,附着力大小会有影响。3结束语漆膜的附着力产生于涂料与被涂底材表面极性本文选用的木蜡油、丙烯酸酯、聚氨酯、氟碳、有基之间的相互引力,而这种极性基之间的相互引力机硅和丙烯酸聚氨脂等涂料与聚烯烃基WPC有较好的产生是以涂料对被涂底材表面的良好湿润为前提的浸润性,这些涂料与PE基WPC的接触角一般小于的。根据16种涂料漆膜附着力的大小对比,选岀附涂料与P基WP℃的接触角。在WPC表面涂适当的着力大的6种涂料,即涂料1号木蜡油(棕)、6号聚底漆可使漆膜附着力有所提高。采用同类成膜物质氨酯2、8号氟碳1+氟碳底漆、12号有机硅、13号和的不同品种涂料,因具体配方的差异,漆膜附着力可16号丙烯酸聚氨酯涂料,将这6种涂料在PEΣ基能有所不冋。色浆可能对漆膜附着力有影响。木蜡ⅸ℃与P基wPC上的漆膜附着力与平衡接触角油(棕)、聚氨酯、氟碳、有机硅、丙烯酸聚氨酯涂料对进行对比(表4)。聚烯烃WPC涂饰的综合性能较好,在底材P基表46种涂料在wPC上的平衡接触角和漆膜附着力WPC与PP基WPC上漆膜附着力数值相差不大。接触角/(°)附着力/MPa涂料及其编号PE基PP基PE基参考文献WPC 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