阳离子聚乙烯蜡乳液对树脂涂膜性能的影响

阳离子聚乙烯蜡乳液对树脂涂膜性能的影响

张 辉，崔燕朋，强西怀，董艳勇 (陕西科技大学资源与环境学院，西安 710021)
摘 要:将阳离子聚乙烯(PE)蜡乳液与阳离子树脂混合成膜，考查了蜡乳液对涂膜力学性能、耐水性和耐溶剂性 的影响。实验结果表明:当 5∶ 55≤m(PE 蜡乳液)∶ m(阳离子树脂)≤20∶ 40 时，PE 蜡乳液可改善丙烯酸树脂膜和聚氨 酯膜的抗张强度和撕裂强度等力学性能，并能提高涂膜的耐磨性、耐水性和耐溶剂性。
关键词:阳离子;聚乙烯蜡乳液;树脂;涂膜 中图分类号:TQ 630. 4+ 3

文献标识码:A 文章编号:0253 －4312(2013)01 －0012 －04

聚乙烯蜡是高分子蜡的一种，即低聚合度的聚乙烯，相对 分子质量为1 000 ～8 000，具有良好的光泽、硬度、手感以及其 他物理化学特性 ［1］ 。聚乙烯蜡不溶于水，乳化困难，限制了其 在水性体系中的应用 ［2 －3］ 。目前市场上的乳化蜡产品较少， 且大多为非离子和阴离子型，成功的阳离子型乳化蜡产品较 少，这是由于阳离子型乳化蜡产品不稳定，易分层 ［4］ 。在造 纸、涂料、皮革、纺织等行业中，聚乙烯蜡乳液可改善涂层(膜) 的光泽、光滑、耐剥离、耐水等性能。

在涂料行业，成膜物是涂膜的重要组成部分，丙烯酸树脂 和聚氨酯树脂是常用的成膜物，成膜树脂及添加剂的选择对 涂膜的各项性能至关重要。本实验采用自制的阳离子聚乙烯 蜡乳液与阳离子树脂成膜物进行成膜实验，考察蜡乳液用量 对树脂涂膜力学性能、耐水性和耐溶剂性的影响，为聚乙烯蜡 乳液在涂料行业中的应用提供依据。

1 实验部分 

1. 1 原料及仪器 

阳离子聚乙烯蜡乳液:自制，O/W 型乳液，固含量为 25%，制备方法和指标见参考文献［5］;URC126:聚氨酯树脂 乳液:工业级，固含量为 15%，上海福益皮尔卡乐;丙烯酸树脂 乳液(ACC179):工业级，固含量为 15%，上海福益皮尔卡乐。

拉伸撕裂机 RT －8003:东莞市华添仪器设备有限公司;GT －7012 －T 型 Taber 耐磨耗试验仪:东莞高铁检测仪器有限公 司;电子天平 JM10001:余姚纪铭称重校验设备有限公司;恒温 油浴锅:巩义英峪高科仪器厂;电动搅拌器:常州国华仪器厂。

1. 2 成膜实验 

把阳离子聚乙烯蜡乳液与丙烯酸树脂/聚氨酯树脂按一 定比例加入三口瓶中搅拌均匀，待气泡完全消失后倒入模板， 保持模板水平放置，通风自然干燥。24 h 后从模板上剥离，于 干净通风处继续干燥 12 h，再在恒质量干燥箱中调节 24 h，然 后进行涂膜性能的检测 ［6］ 。

1. 3 涂膜性能检测

力学 性 能: 将 树 脂 涂 膜 按 GB/T 528—1998 和 QB/T 3812. 6—1999 方法分别进行拉伸和撕裂试验。 

耐磨性能:将树脂涂膜按 GB/T 1768—2006 测定涂膜的 磨损量，样品尺寸为 Φ100 mm，磨损用橡胶砂轮为 C －10 橡胶轮，负荷为 250 g，每个样品测试的转数为1 000转。耐磨性以 涂膜在一定负载和转速下的质量磨损率来表示，磨损率(S) 按式(1)计算。

S = ［(m － m 1 ) /m］×100% 式(1)

式中:m—测试前涂膜的质量，g;m 1 —测试后涂膜的质量，g。
涂膜手感:涂膜手感以涂膜硬度来反映。将树脂涂膜按GB/T 6739—2006 进行硬度测试。

耐水性能:通过测定涂膜的吸水率来表征其耐水性能。 膜的吸水率越大，其耐水性越差，吸水率越小，其耐水性越好。 本实验采用称质量法测定涂膜的吸水率。

实验方法:称取原样 m，准确到 0. 001 g，加入该试样 10 倍 的蒸馏水，若干小时后取出，用滤纸轻轻吸附涂膜表面浮水， 称质量得 m 1 。计算方法如式(2)所示。

吸水率 = ［(m 1 － m) /m］×100% 式(2)

式中:m—试样原质量，g;m 1 —试样浸泡后的质量，g。

耐溶剂性:通过测定膜在丙酮中的溶胀率来表征其耐溶 剂性能，膜的溶胀率越大，其耐溶剂性越差，反之则越好。本 实验采用称质量法测定涂膜的溶胀率。

实验方法:称取原样 m，准确到 0. 001 g，加入该试样 10 倍 的丙酮溶液中，若干小时后取出来，用滤纸轻轻吸附表面的浮 液，称质量得 m 1 。计算方法如式(3)所示。

吸丙酮率 = ［(m 1 － m) /m］×100%式(3)

式中:m—试样原质量，g;m 1 —试样浸泡后的质量，g。

2 结果与讨论

2. 1 成膜配方优化

将阳离子丙烯酸树脂乳液和阳离子聚氨酯乳液分别与阳 离子蜡乳液按一定比例混合，并在一定条件下成膜。成膜实 验结果表明，阳离子聚乙烯蜡乳液无论是与阳离子丙烯酸树 脂乳液还是与阳离子聚氨酯乳液混合成膜，当 m(PE 蜡乳液) ∶ m(树脂) ＞20∶ 40(此处质量为液体质量)时，涂膜干燥后会 出现较多裂痕，这是由于聚乙烯蜡本身质脆，硬度较大。故制 定成膜方案如表 1 所示。

2.2 蜡乳液用量对涂膜抗张强度和断裂伸长率的影响 

对按表 1 中成膜配方制成的一系列涂膜进行了抗张强度 和断裂伸长率的测试，结果如图 1、图 2 所示。 由图1 和图2 可以看出，随着蜡乳液用量的增加，丙烯酸树 脂膜和聚氨酯膜的抗张强度都有所提高，而断裂伸长率略为降低。但丙烯酸树脂膜和聚氨酯树脂膜的断裂伸长率仍分别保 持在850%和500%以上，完全可满足实际使用的要求。实验选 用的丙烯酸树脂膜和聚氨酯膜本身为大分子软树脂，涂膜的弹 性好，但抗张强度略为不足，而聚乙烯蜡分子是线型碳链，相对 分子质量较小，涂膜较硬，当5∶55≤m(PE 蜡乳液)∶ m(树脂)≤ 20∶40 时，与两种树脂共混可在一定程度上提高涂膜的强度。

2. 3 蜡乳液用量对涂膜撕裂强度的影响
对按表 1 中成膜配方制成的一系列涂膜进行了撕裂强度测试，结果如图 3 所示。

由图3 可知，在丙烯酸树脂乳液和聚氨酯乳液中加入阳离子 聚乙烯蜡乳液，涂膜的撕裂强度均有所增强，且在一定范围内涂 膜的撕裂强度与蜡乳液用量成正比关系。这是由于蜡乳液与丙烯酸树脂乳液和聚氨酯乳液共混后，较小的聚乙烯分子与树脂分 子链在一定程度上接近并缠绕，使得分子链的强度得到一定程度 增强，在撕裂过程中单个高分子链所能承受的载荷变大。

2. 4 蜡乳液用量对涂膜耐磨性能的影响

 对按表 1 中成膜配方制成的一系列膜进行了耐磨性测 试，结果如图 4 所示。

由图 4 可知，加入聚乙烯蜡乳液后，聚氨酯和丙烯酸涂膜 的磨损率最少分别降低到 0. 05% 和 0. 15%，随着蜡乳液质量 的继续增加，涂膜的磨损率有所增加，但远低于纯树脂涂膜的 磨损率。这是 2 种效应共同作用的结果，即一方面聚乙烯蜡 具有较低的摩擦系数，在成膜过程中，蜡会逐渐向涂膜的表层 迁移，形成致密的薄膜，在摩擦过程中起到减摩抗磨的作用， 因而加入蜡乳液后，涂膜的耐磨性提高;但另一方面，聚乙烯 蜡是一种内聚力较强的疏水性物质，与极性的树脂相容性较 差，当蜡乳液质量分数进一步增大时，迁移到涂膜表面的蜡易 于在摩擦过程产生磨损，因而耐磨性有所下降。

2. 5 蜡乳液对涂膜手感的影响 

对按表 1 中成膜配方制成的一系列膜进行了硬度测试， 结果如表 2 所示。

由表 2 可以看出，加入聚乙烯蜡乳液后，树脂涂膜的硬度 都有所增加，且在一定范围内涂膜的硬度保持不变。这是由 于聚乙烯蜡本身质脆，硬度较大，在与较软的树脂共混成膜 后，两者的相互作用，使树脂涂膜的硬度增强。

2. 6 蜡乳液用量对涂膜耐水性的影响 

对按表 1 中成膜配方制成的一系列膜进行了耐水性测 试，结果如图 5 所示。 

由图 5 可以看出，加入聚乙烯蜡乳液后，丙烯酸树脂膜和 聚氨酯膜的吸水率都有所降低，且随着蜡乳液用量的增加，涂膜的吸水率逐渐减小。这是由于丙烯酸树脂和聚氨酯分子链 较大，具有众多的极性基团，而聚乙烯蜡分子主要是疏水性的 烷烃链，极性小，对水的亲和性小，因此吸水率越小。由此可 见，聚乙烯蜡乳液可增强涂膜的耐水性。

2. 7 蜡乳液用量对涂膜耐溶剂性能的影响 

对按表 1 中成膜配方制成的一系列膜进行了耐溶剂性测 试，溶剂选用丙酮。结果如图 6 所示。

由图6 可知，加入阳离子聚乙烯蜡乳液后，丙烯酸树脂膜和 聚氨酯膜在丙酮中的溶胀率减小，即其耐丙酮性能增强。由于常 用的丙烯酸树脂类和聚氨酯类涂饰剂的耐有机溶剂如丙酮、甲 苯、二甲苯等性能欠佳，源于它们自身分子极性较强，而极性较小 的聚乙烯蜡乳液的混入有利于涂膜耐溶剂性能的提高。

3 结 语

(1)阳离子 PE 蜡乳液分别与常用的阳离子聚氨酯树脂和丙烯酸树脂混合成膜，当 5∶ 55≤m(PE 蜡乳液)∶ m(树脂)≤20∶ 40 时，不会对涂膜的手感和性能造成负面影响。
(2)阳离子 PE 蜡乳液可改善丙烯酸树脂膜和聚氨酯膜的抗张强度和撕裂强度等力学性能，并能提高涂膜的耐水性、耐磨性和耐溶剂性。

参考文献

［1］ SINGH S K，TAMBE S P，SAMUI A B，et al． Maleic acid grafted low density polyethylene for thermally sprayable anticorrosive coatings［J］．Progress in Organic Coatings，2006(55):20 －26． 

［2］ MAHONEY DENNIS MICHAEL． Wax emulsion for use in building products: US，614984A［P］． 2009 －11 －09． 

［3］ DECKERS，ANDREAS，BRUDERLE，et al． Process for preparing oxidized polyethylene waxes: US，6060565［P］． 2000 －05 －09． 

［4］ 冯玉海． HD 阳离子乳化蜡的研制［J］． 日用化学工业，2002，4 (2):81 －83． FENG Y H． Development of HD cationic emulsifying wax［J］． China Surfactant Detergent ＆ Cosmetics，2002，4(2):81 －83．

 ［5］ 强西怀，董艳勇，张辉． 阳 － 非复合离子型氧化聚乙烯蜡乳液 的制备［J］． 精细化工，2009，26(12):1221 －1225． QIANG X H，DONG Y Y，ZHANG H． Preparation of cation ic － nonionic emulsion of oxidized polyethylene wax［J］． Fine Chemi- cals，2009，26(12):1221 －1225． 

［6］ 李书卿，罗建勋，卓学，等． 丙烯酸树脂涂饰剂应用性能分析 ［J］． 中国皮革，2006，35(12):17 －20． LI S Q，LUO J X，ZHUO X，et al． Application property analysis of local acrylic resin［J］． China Leather，2006，35(12):17 －20．