一种适用于铅笔连续化生产的水性漆及其制备方法
阅读说明：本技术 一种适用于铅笔连续化生产的水性漆及其制备方法 (Water-based paint suitable for pencil continuous production and preparation method thereof ) 是由 夏洪伟 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种适用于铅笔连续化生产的水性漆,根据铅笔的工业化生产需求,将水性涂料的基础配方进行改进,选用水性树酯,以水为主要溶剂,添加少量的环保助溶剂,不含任何苯系和酯类溶剂,通过通过选择合适的助干助剂,上色助剂和增亮助剂,以达到10s表干,60实干的快干效果,能够完全满足现有的铅笔连续化生产设备对于水性漆快干的要求。同时,消除快干助剂等添加剂对水性漆造成的其他不利因素,使本申请的水性漆配方不但实现10s表干,还具有良好的附着力和光泽度。(The invention relates to a water-based paint suitable for continuous production of pencils, which is characterized in that the basic formula of the water-based paint is improved according to the industrial production requirements of the pencils, a water-based resin is selected, water is used as a main solvent, a small amount of environment-friendly cosolvent is added, no benzene series or ester solvents are contained, and the quick-drying effect of 10s surface drying and 60 real drying is achieved by selecting a proper drying assistant, coloring assistant and brightening assistant, so that the requirement of the existing continuous production equipment of the pencils on quick drying of the water-based paint can be completely met. Meanwhile, other adverse factors caused by additives such as quick-drying auxiliary agents and the like to the water-based paint are eliminated, so that the water-based paint formula disclosed by the application not only realizes surface drying for 10s, but also has good adhesive force and glossiness.)
技术领域
本发明涉及铅笔涂料技术领域，尤其涉及一种适用于铅笔连续化生产的水性漆及其制备方法。
背景技术
铅笔作为传统的书写工具，有不可取代的地位，为了对木杆铅笔进行保护和装饰，需要用涂料对其表面进行涂装，铅笔涂装的生产工艺包括，上料：将待上漆铅笔批量置于料斗内，料斗底部设置有推送装置；浸漆：使用推送装置，将铅笔从料斗底部单支依次推出，在前的铅笔受在后铅笔的顶推作用，向前插入漆盒，并从漆盒快速穿过；烘干：从漆盒出来的沿笔，落在传送带上，被水平传送，通过烘干装置对传送中的铅笔上的漆进行快速烘干；下料：在传送带上经烘干的铅笔进入下料槽，下料槽中的铅笔整齐叠放。
目前应用于工业化生产的铅笔企业所用涂料基本是硝基漆，其干燥速度快，有较好的硬度和亮度。硝基漆能够满足铅笔的连续化生产工艺对油漆的要求。但是硝基漆含有大量的有机溶剂如甲苯，二甲苯，醋酸甲酯等。硝基漆中添加的有机溶剂在生产和使用过程中会严重危害我们的自然环境和身体健康；有机溶剂最为明显的特征就是具有强烈的刺激性气味，这些刺激性气味会严重刺激眼粘膜、鼻粘膜、呼吸道粘膜和导致皮肤过敏，同时，在硝基铅笔漆中会加入一定量的增塑剂，对人体健康也会造成一定的不良影响。
为了避免硝基漆对健康的不利影响，人们开发了水性涂料。水性涂料是以水作为溶剂或分散剂，以特种树脂为成膜物质，配以相关助剂，经一定混合工艺合成的涂料。因为以水作为分散介质，彻底消除了甲醛、醇类、卤代烃、苯系物等有毒有害物质的危害，不会对环境造成污染。
因为铅笔的沾头和抽条工艺有别于其他木质上漆产品的生产工艺，所以需要满足铅笔工业化生产的油漆需要干燥速度快、涂料附着力强，成品铅笔需要有较好的光泽度。现有的应用于家具的水性漆干燥时间远长于硝基漆的干燥时间，附着力和光亮度也不及硝基漆。因为在水性漆中，是以水作为分散介质的，乳胶粒在水中的成膜过程与在有机溶剂中的成膜过程完全不同。水性涂料树脂微粒的成膜过程分为三个阶段，一是水分蒸发，二是乳胶粒子融合变形，三是扩散成膜。在相同的温度下，由于水分挥发的速度远远小于有机溶剂发挥的速度，造成水性涂料的干燥时间远长于硝基漆的干燥时间。在铅笔特殊的生产工艺下，现有的水性漆附着力和光亮度也不及硝基漆，因此，目前应用于家具的水性漆不能满足铅笔生产的需求。
人们对于能够应用于铅笔的水性涂料做了大量的研究，部分结果如下：
CN201910532841.X公开了一种铅笔水性漆及其制备方法，包括底漆、光漆、色漆。底漆包括以下各组分：水溶性树脂10～30份，聚氨酯乳液5～15份，去离子水18～22份，pH调节剂1～5份，消泡剂0.1～1份，成膜助剂2～4份，润湿剂0.1～1份，滑石粉15～25份，重钙3～8份，水性白色浆15～23份。光漆包括以下各组分：水性丙烯酸乳液10～82份，水性丙烯酸树脂10～20份，丙二醇丁醚0.007～0.02份，乙醇0.02～0.2份，水0.02～0.2份，消泡剂0.0005～0.003份，pH调节剂0.01～0.03份，手感剂0.0005～0.009份。色漆包括以下各组分：水性丙烯酸乳液和水性丙烯酸树脂共50～80份，分散剂0.002～0.02份，二氧化硅0.01～0.1份，滑石粉0.05～0.3份，消泡剂0.0005～0.003份，水性色浆8～30份。
以上技术方案得到的应用于铅笔的水性漆，遮盖力均小于150，具有良好的耐水性，附着力和光泽度。铅笔涂上水性漆后，经过50-55℃，2分钟的烘烤就能正常叠起来，制备的铅笔附着力好，上皮头无崩漆现象。该申请公开的的铅笔水性漆，性能良好，不过不能满足铅笔的连续化生产工艺的快干要求，但是在铅笔连续化生产工艺，供给单支铅笔的干燥时间短，并且涂装后的铅笔叠加放置，如果干燥不充分，容易造成返潮，叠加的铅笔之间产生粘连，造成大批铅笔无法使用，严重地浪费了资源。
CN201811517293.5公开了一种适用于木头铅笔的环保水性铅笔色漆及其制备方法和应用，其原料包括水性聚氨酯、成膜助剂、色浆、填料和水，填料由碳酸钙、高岭土和蜡粉构成，以质量百分含量计，碳酸钙、高岭土和蜡粉分别占原料的质量百分含量为5～25％、3～20％、3～10％；碳酸钙、高岭土和蜡粉的投料质量比为3～6:1.2～2:1。
该方案最佳的情况下，能够在60度下实现51s表干，相比于现有的水性漆，该干燥速度有了大幅度提高。在工业化生产中，单支铅笔的表干时间需要控制在20s以内，同时，表干时间越长，对于生产的设备要求越高，需要有较高的温度以及设备长度，用于运输抽条后的铅笔，使铅笔在叠放之前完成表干。对于现有的铅笔工业化生产设备，如果水性漆的表干时间大于20s，将无法实现铅笔的连续化生产。并且，该方案对于铅笔上漆后的附着力效果也是未知的，一般在快干的水性漆配方中，添加了快干助剂后，容易造成附着力降低，出现笔杆漆膜脱落现象。因此，在提高干燥速度的同时，附着力也是非常重要的。
为了使水性漆加快干燥，通常会考虑在水性漆配方中加入助干助剂，常用的油漆助干剂有钴类催化剂、铅类催化剂、锰类催化剂等。此类油漆助干剂具有很强的催化活性，能够使油漆表面快速干燥，钴类助干剂应用于铅笔的水性漆时，容易使油漆表面起皱，使铅笔的外观不平整，影响美观。此外还有有机铋催化剂、锡类催化剂等，能够应用于快速干燥的聚氨酯类水性漆中，也具有良好的助干效果。以上助干剂在实际使用时，明显加快水性漆的干燥速度，但是油漆表面不够平整，不容易起纹，同时铅笔上漆膜的光泽和附着力也有待提高。因此，一种既能提高干燥效果，又能保持良好的附着力和光泽度的助干助剂是十分重要的。
适用于铅笔连续化生产的水性漆，不仅需要满足快干的要求，同时还需要有良好其他性能，比如附着力和成品铅笔的光泽度。满足以上性能的水性漆，运用在铅笔上，才能使铅笔水性漆全面取代硝基涂料成为现实。
发明内容
本发明提供了一种适用于铅笔连续化生产的水性漆，根据铅笔的工业化生产需求，将水性涂料的基础配方进行改进，以达到10s表干，60实干的快干效果，能够完全满足现有的铅笔连续化生产设备对于水性漆快干的要求。同时，通过长期的试验和对配方的改进，消除快干助剂等添加剂对水性漆造成的其他不利因素，使本申请的水性漆配方不但实现10s表干，还具有良好的附着力和光泽度。
本申请选用水性树酯，并且以水为主要溶剂，添加少量的环保助溶剂，不含任何苯系和酯类溶剂，通过选择合适的助干助剂，上色助剂和增亮助剂，各种助剂配合后能有效提高水性漆的干燥速度，同时具有良好的附者力和光泽度。
具体的，本申请的水性漆包括底漆、面漆和光漆。按照重量百分比，底漆包括：聚氨酯乳液10～20份，水性丙烯酸乳液10～20份，消泡剂份，成膜助剂份，滑石粉份，二乙醇胺份，水性丙烯酸树脂份，二月桂酸二丁基锡0.01～0.03份，95％乙醇15～30份，去离子水15～30份，水性色浆份，遮盖聚合物2～4份。
面漆包括：聚氨酯乳液10～20份，水性丙烯酸乳液10～20份，水性丙烯酸树脂15～30份，消泡剂份，成膜助剂份，润湿剂份，滑石粉份，二氧化硅2～7份，二乙醇胺份，二月桂酸二丁基锡0.01～0.03份，95％乙醇15～30份，去离子水15～30份，遮盖聚合物2～4份。
光漆包括：聚氨酯乳液10～20份，水性丙烯酸乳液10～20份，消泡剂份，二乙醇胺份，水性丙烯酸树脂份，二月桂酸二丁基锡0.01～0.03份，95％乙醇15～30份，去离子水15～30份，水性色浆份。
进一步的，按重量百分比，所述底漆包括：聚氨酯乳液20份，水性丙烯酸乳液20份，消泡剂0.2份，成膜助剂4份，滑石粉28份，二乙醇胺5份，水性丙烯酸树脂20份，二月桂酸二丁基锡0.03份，乙醇30份，去离子水22份，水性色浆25份，遮盖聚合物4份；
所述面漆包括：聚氨酯乳液20份，水性丙烯酸乳液20份，水性丙烯酸树脂20份，消泡剂0.2份，成膜助剂4份，润湿剂1份，滑石粉28份，二氧化硅7份，二乙醇胺5份，二月桂酸二丁基锡0.03份，乙醇30份，去离子水22份，遮盖聚合物4份；
所述光漆包括：聚氨酯乳液20份，水性丙烯酸乳液20份，消泡剂0.2份，二乙醇胺5份，水性丙烯酸树脂20份，二月桂酸二丁基锡0.03份，乙醇30份，去离子水22份，水性色浆25份。
进一步的，所述水性丙烯酸树脂为单组份水性丙烯酸树脂，型号为TP-400M。
进一步的，所述消泡剂型号为DF-6078。
进一步的，所述遮盖聚合物的型号为ROPAQUE。
进一步的，所述乙醇的浓度为95％。
一种适用于铅笔连续化生产的水性漆，所述底漆的制备步骤为：按照重量百分比，称取聚氨酯乳液10～20份，水性丙烯酸乳液10～20份，水性丙烯酸树脂10～20份，去离子水15～30份，混合均匀并搅拌分钟，再加入消泡剂份，成膜助剂份，二乙醇胺份，滑石粉份，在温度为下搅拌分钟，先将二月桂酸二丁基锡0.01～0.03份溶解到15～30份乙醇中，再加入到以上混合物中；再加入水性色浆份，遮盖聚合物2～4份，搅拌分钟，充分混合后，得到底漆；
面漆的制备步骤为：按照重量百分比，称取聚氨酯乳液10～20份，水性丙烯酸乳液10～20份，水性丙烯酸树脂15～30份，去离子水15～30份，混合均匀并搅拌分钟，再加入消泡剂份，成膜助剂份，润湿剂份，滑石粉份，二氧化硅2～7份，二乙醇胺份，在温度为下搅拌分钟，先将二月桂酸二丁基锡0.01～0.03份溶解到15～30份乙醇中，再加入到以上混合物中；再遮盖聚合物2～4份，充分混合后，得到面漆；
光漆的制备步骤为：按照重量百分比：称取聚氨酯乳液10～20份，水性丙烯酸乳液10～20份，水性丙烯酸树脂份，去离子水15～30份，混合均匀并搅拌分钟，再消泡剂份，二乙醇胺份，先将二月桂酸二丁基锡0.01～0.03份溶解到15～30份乙醇中，再加入到以上混合物中；再加入水性色浆份，充分混合后，得到光漆。
本申请在底漆，面漆，光漆中添加了二月桂酸二丁基锡，经过长期的试验，发明人发现二月桂酸二丁基锡应用于铅笔水性漆具有良好的性能。二月桂酸二丁基锡是透明油状液体，锡含量为18.5％，是一种助干的催化剂，二月桂酸二丁基锡不仅能明显加快水性漆的干燥速度，而且油漆表面平整，不容易起纹，同时还有利于提高漆膜的光泽和附着力。
但是二月桂酸二丁基锡耐水解性较差，在含水体系中容易水解失效，减弱催化效率。在水性漆中具有一定的含水量，容易造成二月桂酸二丁基锡失效，使添加量增加。增大添加量会使水性漆的附着力降低，试验发现，加入95％的乙醇能够有效缓解因二月桂酸二丁基锡易水解致使助干水性漆的效果偏差的技术缺陷，先将二月桂酸二丁基锡溶于95％的乙醇中，再添加到水性漆中，在水性漆中只需要加入0.01～0.03份二月桂酸二丁基锡即能有效提高干燥速度。
另一方面，乙醇是一种易挥发的有机溶剂，毒性低，能与水以任意比互溶。在水性漆基础配方中添加了乙醇，能够有效改善水份蒸发慢的缺陷，添加了95％乙醇溶液的水性漆对于助干也具有明显的作用。
在生产中发现，现有配方的水性漆满足连续化铅笔生产线上的快干要求后，干燥后的笔杆，长时间放置后，会出现笔杆漆膜脱漏现象。这是由于水性漆附着力不够导致的。可能是添加了助干剂后使水性漆的附着力降低。
本申请在底漆，面漆，光漆中选择了水性丙烯酸乳液，聚氨酯乳液以及单组份水性丙烯酸树脂配合使用。采用市面上部分树脂和现有的水性树脂在合成过程中，树脂无法溶解于基料中，并且合成后应用于铅笔时会出现不上漆的现象，并且树脂的附着力和光泽度都达不到标准，这也是造成水性漆无法应用于铅笔领域的一个待解决问题。水性丙烯酸乳液，聚氨酯乳液以及单组份水性丙烯酸树脂，能够有效增强水性漆的附着力，普通水性乳液或者分散体粒子之间仅存在相互作用力小强度低，铅笔上漆的抽涂过程中强力的剪切情况下粒子与粒子剥离开，导致附着在笔杆上的漆很少。而水溶性树脂分子间是缠绕的，相互作用力高，水溶性树脂和普通乳液混拼后制备的水性漆，在强力剪切下有足够的漆一起附着在笔杆上。同时，单组分水性丙烯酸树脂为清澈透明液体，应用于水性漆后具有优异的附着力和硬度。本申请采用单组份水性丙烯酸树脂的型号为TP-400M，是一种快干型的水性丙烯酸树脂，与水性丙烯酸乳液、聚氨酯乳液配合后，不仅附着力提高了，同时对于快干也具有一定的效果。
本申请在底漆和面漆中添加的成膜助剂，二羧酸二异丁酯基成膜助剂，该成膜助剂是巴斯夫公司生产的型号为CA5308的成膜助剂。具有高效的成膜效果，不含VOC，极低的气味，能有效增加水性漆成膜后的附着力。
本申请在底漆、面漆和光漆中添加了消泡剂，型号为DF-6078。在涂料的生产过程中，会卷入空气而形成气泡，因此需要添加消泡剂使气泡稳定。另一方面，铅笔的生产设备中，为了达到快干，抽涂以及后续工艺的设备保持50～60℃，在此温度下，空气更加容易融入到涂料中，产生较多的气泡。气泡混入到笔杆的水性漆表面后，使笔杆表面油漆不均匀，甚至气泡破裂后油漆缺损。因此，添加合适的消泡剂是十分重要的。消泡剂是在油漆薄层形成阶段或之后起作用：分散均匀的消泡剂渗透进入泡沫弹性膜并且在膜中分布，并通过表面张力的降低导致薄层破裂。或者分散均匀的消泡剂渗透进入泡沫薄层并且形成单分子膜，使其附着力降低，易于薄层破裂。消泡剂必须能够在泡沫表面迅速铺展而且能够快速渗透，使泡沫迅速破裂。消泡剂目前常用的种类有有机硅类和聚丙烯酸酯类。有机硅类消泡剂通常是聚硅氧烷类型的。例如：含有丙烯酸酯官能团的聚二甲基硅氧烷及聚醚改性的聚二甲基硅氧烷等。有机硅类具有耐高温、耐低温、物理性能稳定、化学惰性、很低的表面张力，是常用的消泡剂。聚丙烯酸之类消泡剂是通过改变聚合物的极性及分子量导致有选择性的不相容而消泡，使用这类消泡剂需评估对光泽的影响。评价泡沫控制剂主要考虑一下几个方面：铺展速率；与体系的相容性；消泡的稳定性以及性价比。但是往往在一个配方中上述因素是互相矛盾的，例如，与体系相容性最好的消泡剂其消泡的稳定性往往是最差的；兼容性最差的，往往其铺展速率是最快。本申请采用的是索尔维公司生产的复合型的消泡剂，型号为DF-6078，包含有消泡疏水活性颗粒，醇类载体，非离子低泡乳化剂和其他辅助助剂，醇类载体协同疏水颗粒捕获截面的表面活性剂，并加速排液体已达到快速消泡的目的，作用持久高效，消泡活性组分稳定。能够同时兼顾稳定性、体系相容性和铺展速率。该消泡剂对笔杆的光泽也没有影响。
本申请在底漆和面漆中添加了遮盖聚合物，型号为ROPAQUE，能有效改善上漆后笔杆的光泽。在水性涂料中加入后,可提高涂料的遮盖力,耐擦洗性、耐沾污性,保色性,使漆膜手感更滑爽。涂料的遮盖力来自于干漆膜对光的散射,ROPAQUE以乳液状态存在,其中间空穴中充满着水,在涂料干燥过程中,水通过聚合物外壳蒸发出去,留下空气空穴。由于空气的折射率比周围聚合物的折射指数低得多,ROPAQUE就发挥了遮盖的作用。又由于ROPAQUE的中间空穴直径紧靠最佳光散射尺寸0.25微米,当大量中空的聚合物粒子分布于干漆膜中时,光线能得到有效的散射,从而提高了漆膜的遮盖力。ROPAQUE添加到本申请的水性漆配方中，具有良好的兼容性。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本申请的水性漆配方，能够适用于铅笔连续化生产，不仅需要满足快干的要求，同时还需要有良好附着力和成品铅笔的光泽度。具体为上漆后的铅笔，在55°的温度下10S内表干燥，实干60S,常温泡水1H无异常，并且保证光泽度、颜色鲜艳饱满。
2.上漆后的成品铅笔有较好的附着力表现，用宽19MM，180°剥离力为(4.5±1)N/19MM及持粘力符合GB/T22348-2008中的文具压敏胶粘带粘在笔杆表面的涂料上，用手指来回抹平连在油漆表面的胶粘带，提起胶粘带一端，成45°角快速扯起胶粘带，检查笔杆表面并无涂层被粘掉。水性涂料在铅笔上，颜色鲜艳，抽条，沾顶等都可以运用水性涂料在铅笔上，可以全面取代硝基涂料。
具体实施方式
实施例1
一种适用于铅笔连续化生产的水性漆，底漆的制备步骤为：按照重量百分比，称取聚氨酯乳液10份，水性丙烯酸乳液10份，水性丙烯酸树脂15份，去离子水15份，混合均匀并搅拌分钟，再加入消泡剂0.1份，成膜助剂3份，二乙醇胺0.5份，滑石粉10份，在温度为下搅拌分钟，先将二月桂酸二丁基锡0.01份溶解到15份95％乙醇中，再加入到以上混合物中；再加入水性色浆18份，遮盖聚合物2份，搅拌分钟。充分混合后，得到底漆。
面漆的制备步骤为：按照重量百分比，称取聚氨酯乳液10份，水性丙烯酸乳液10份，水性丙烯酸树脂15份，去离子水15份，混合均匀并搅拌分钟，再加入消泡剂0.1份，成膜助剂3份，润湿剂0.1份，滑石粉10份，二氧化硅2份，二乙醇胺0.5份，在温度为 下搅拌分钟，先将二月桂酸二丁基锡0.01份溶解到15份95％乙醇中，再加入到以上混合物中；再遮盖聚合物2份。充分混合后，得到面漆。
光漆的制备步骤为：按照重量百分比：称取聚氨酯乳液10份，水性丙烯酸乳液10份，水性丙烯酸树脂15份，去离子水15份，混合均匀并搅拌分钟，再消泡剂0.1份，二乙醇胺0.5份，先将二月桂酸二丁基锡0.01份溶解到15份95％乙醇中，再加入到以上混合物中；再加入水性色浆18份。充分混合后，得到光漆。
性能测试
附着力
上漆后的铅笔用宽19MM，180°剥离力为(4.5±1)N/19MM测试持粘力，根据GB/T22348-2008中的文具压敏胶粘带粘在笔杆表面的涂料上，用手指来回抹平连在油漆表面的胶粘带，提起胶粘带一端，成45°角快速扯起胶粘带，检查笔杆表面有无涂层被粘掉。按GB/T9628-1998规定进行测试，用百格刀，划格2MM进行测试是否有粉末掉落,胶粘带粘在笔杆表面的涂料上的面积为10mm2，扯起胶粘带后，计算从笔杆中掉落的油漆面积与10mm2的百分比，从而得到水性漆的附着力。
光泽度
用光泽度仪测试水性漆的光泽度。
对比例1-4
制备方法与实施例1相同，改变水性漆的组分含量，具体如表1：
表1对比例1-4水性漆的各组分质量份数
对比例1-4的水性漆应用于铅笔后的性能进行测试，得到的结果如表2：
表2对比例1-4的水性漆应用于铅笔后的性能进行测试结果
从表2可知，实施例3和4能够实现水性漆在10s内表干，该水性漆的配方能够满足铅笔连续化生产。实施例3相比实施例4的附着力、光泽度和遮盖力更优，因此，实施例3的水性漆配方在各方面性能上都是比较好的。
实施例2
助干剂的筛选
水性漆的制备方法与实施例1相同，配方中除助干剂的种类外，其他组分的种类和含量与对比例3相同，考察不同的助干剂对铅笔水性漆性能的影响，结果如表3。
表3不同种类的助干剂对水性漆性能的影响
从以上表中得知，二月桂酸二丁基锡不仅具有明显的助干效果，而且对附着力、光泽度也没有不良的影响，性能明显优于其他助干助剂。
实施例3
乙醇浓度对性能的影响，水性漆的制备方法和含量与对比例3相同，考察不同浓度的乙醇对水性漆性能的影响，结果如表4。
表4乙醇浓度对水性漆性能的影响
从表4可以得知，乙醇浓度并不是越高越好，浓度高于95％的表干时间会更快，但是其他性能会降低，因此，综合考虑，95％浓度的乙醇是最优的。
实施例4
其他组分和含量同对比例3，考察95％乙醇和助干剂的比例对水性漆性能的影响，结果如表5所述。
表5 95％乙醇和助干剂的比例对水性漆性能的影响
从以上表格中得知，乙醇份数为20～30份以上，二月桂酸二丁基锡0.02～0.03份，能够满足水性漆的快干要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
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