陽離子聚乙烯蠟乳液對樹脂涂膜性能的影響

陽離子聚乙烯蠟乳液對樹脂涂膜性能的影響

張 輝，崔燕朋，強西懷，董艷勇 (陜西科技大學資源與環境學院，西安 710021)
摘 要:將陽離子聚乙烯(PE)蠟乳液與陽離子樹脂混合成膜，考查了蠟乳液對涂膜力學性能、耐水性和耐溶劑性 的影響。實驗結果表明:當 5∶ 55≤m(PE 蠟乳液)∶ m(陽離子樹脂)≤20∶ 40 時，PE 蠟乳液可改善丙烯酸樹脂膜和聚氨 酯膜的抗張強度和撕裂強度等力學性能，并能提高涂膜的耐磨性、耐水性和耐溶劑性。
關鍵詞:陽離子;聚乙烯蠟乳液;樹脂;涂膜 中圖分類號:TQ 630. 4+ 3

文獻標識碼:A 文章編號: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 分子質量為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 在水性體系中的應用 ［2 －3］ 。目前市場上的乳化蠟產品較少， 且大多為非離子和陰離子型，成功的陽離子型乳化蠟產品較 少，這是由于陽離子型乳化蠟產品不穩定，易分層 ［4］ 。在造 紙、涂料、皮革、紡織等行業中，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，成膜物是涂膜的重要組成部分，丙烯酸樹脂 和聚氨酯樹脂是常用的成膜物，成膜樹脂及添加劑的選擇對 涂膜的各項性能至關重要。本實驗采用自制的陽離子聚乙烯 蠟乳液與陽離子樹脂成膜物進行成膜實驗，考察蠟乳液用量 對樹脂涂膜力學性能、耐水性和耐溶劑性的影響，為聚乙烯蠟 乳液在涂料行業中的應用提供依據。

1 實驗部分 

1. 1 原料及儀器 

陽離子聚乙烯蠟乳液:自制，O/W 型乳液，固含量為 25%，制備方法和指標見參考文獻［5］;URC126:聚氨酯樹脂 乳液:工業級，固含量為 15%，上海福益皮爾卡樂;丙烯酸樹脂 乳液(ACC179):工業級，固含量為 15%，上海福益皮爾卡樂。

拉伸撕裂機 RT －8003:東莞市華添儀器設備有限公司;GT －7012 －T 型 Taber 耐磨耗試驗儀:東莞高鐵檢測儀器有限公 司;電子天平 JM10001:余姚紀銘稱重校驗設備有限公司;恒溫 油浴鍋:鞏義英峪高科儀器廠;電動攪拌器:常州國華儀器廠。

1. 2 成膜實驗 

把陽離子聚乙烯蠟乳液與丙烯酸樹脂/聚氨酯樹脂按一 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，通風自然干燥。24 h 后從模板上剝離，于 干凈通風處繼續干燥 12 h，再在恒質量干燥箱中調節 24 h，然 后進行涂膜性能的檢測 ［6］ 。

1. 3 涂膜性能檢測

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

耐磨性能:將樹脂涂膜按 GB/T 1768—2006 測定涂膜的 磨損量，樣品尺寸為 Φ100 mm，磨損用橡膠砂輪為 C －10 橡膠輪，負荷為 250 g，每個樣品測試的轉數為1 000轉。耐磨性以 涂膜在一定負載和轉速下的質量磨損率來表示，磨損率(S) 按式(1)計算。

S = ［(m － m 1 ) /m］×100% 式(1)

式中:m—測試前涂膜的質量，g;m 1 —測試后涂膜的質量，g。
涂膜手感:涂膜手感以涂膜硬度來反映。將樹脂涂膜按GB/T 6739—2006 進行硬度測試。

耐水性能:通過測定涂膜的吸水率來表征其耐水性能。 膜的吸水率越大，其耐水性越差，吸水率越小，其耐水性越好。 本實驗采用稱質量法測定涂膜的吸水率。

實驗方法:稱取原樣 m，準確到 0. 001 g，加入該試樣 10 倍 的蒸餾水，若干小時后取出，用濾紙輕輕吸附涂膜表面浮水， 稱質量得 m 1 。計算方法如式(2)所示。

吸水率 = ［(m 1 － m) /m］×100% 式(2)

式中:m—試樣原質量，g;m 1 —試樣浸泡后的質量，g。

耐溶劑性:通過測定膜在丙酮中的溶脹率來表征其耐溶 劑性能，膜的溶脹率越大，其耐溶劑性越差，反之則越好。本 實驗采用稱質量法測定涂膜的溶脹率。

實驗方法:稱取原樣 m，準確到 0. 001 g，加入該試樣 10 倍 的丙酮溶液中，若干小時后取出來，用濾紙輕輕吸附表面的浮 液，稱質量得 m 1 。計算方法如式(3)所示。

吸丙酮率 = ［(m 1 － m) /m］×100%式(3)

式中:m—試樣原質量，g;m 1 —試樣浸泡后的質量，g。

2 結果與討論

2. 1 成膜配方優化

將陽離子丙烯酸樹脂乳液和陽離子聚氨酯乳液分別與陽 離子蠟乳液按一定比例混合，并在一定條件下成膜。成膜實 驗結果表明，陽離子聚乙烯蠟乳液無論是與陽離子丙烯酸樹 脂乳液還是與陽離子聚氨酯乳液混合成膜，當 m(PE 蠟乳液) ∶ m(樹脂) ＞20∶ 40(此處質量為液體質量)時，涂膜干燥后會 出現較多裂痕，這是由于聚乙烯蠟本身質脆，硬度較大。故制 定成膜方案如表 1 所示。

2.2 蠟乳液用量對涂膜抗張強度和斷裂伸長率的影響 

對按表 1 中成膜配方制成的一系列涂膜進行了抗張強度 和斷裂伸長率的測試，結果如圖 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 脂膜和聚氨酯膜的抗張強度都有所提高，而斷裂伸長率略為降低。但丙烯酸樹脂膜和聚氨酯樹脂膜的斷裂伸長率仍分別保 持在850%和500%以上，完全可滿足實際使用的要求。實驗選 用的丙烯酸樹脂膜和聚氨酯膜本身為大分子軟樹脂，涂膜的彈 性好，但抗張強度略為不足，而聚乙烯蠟分子是線型碳鏈，相對 分子質量較小，涂膜較硬，當5∶55≤m(PE 蠟乳液)∶ m(樹脂)≤ 20∶40 時，與兩種樹脂共混可在一定程度上提高涂膜的強度。

2. 3 蠟乳液用量對涂膜撕裂強度的影響
對按表 1 中成膜配方制成的一系列涂膜進行了撕裂強度測試，結果如圖 3 所示。

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

2. 4 蠟乳液用量對涂膜耐磨性能的影響

 對按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進行了耐磨性測 試，結果如圖 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%，隨著蠟乳液質量 的繼續增加，涂膜的磨損率有所增加，但遠低于純樹脂涂膜的 磨損率。這是 2 種效應共同作用的結果，即一方面聚乙烯蠟 具有較低的摩擦系數，在成膜過程中，蠟會逐漸向涂膜的表層 遷移，形成致密的薄膜，在摩擦過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 蠟是一種內聚力較強的疏水性物質，與極性的樹脂相容性較 差，當蠟乳液質量分數進一步增大時，遷移到涂膜表面的蠟易 于在摩擦過程產生磨損，因而耐磨性有所下降。

2. 5 蠟乳液對涂膜手感的影響 

對按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進行了硬度測試， 結果如表 2 所示。

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

2. 6 蠟乳液用量對涂膜耐水性的影響 

對按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進行了耐水性測 試，結果如圖 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。這是由于丙烯酸樹脂和聚氨酯分子鏈 較大，具有眾多的極性基團，而聚乙烯蠟分子主要是疏水性的 烷烴鏈，極性小，對水的親和性小，因此吸水率越小。由此可 見，聚乙烯蠟乳液可增強涂膜的耐水性。

2. 7 蠟乳液用量對涂膜耐溶劑性能的影響 

對按表 1 中成膜配方制成的一系列膜進行了耐溶劑性測 試，溶劑選用丙酮。結果如圖 6 所示。

由圖6 可知，加入陽離子聚乙烯蠟乳液后，丙烯酸樹脂膜和 聚氨酯膜在丙酮中的溶脹率減小，即其耐丙酮性能增強。由于常 用的丙烯酸樹脂類和聚氨酯類涂飾劑的耐有機溶劑如丙酮、甲 苯、二甲苯等性能欠佳，源于它們自身分子極性較強，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 語

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

參考文獻

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