应用前沿 - 交联丙烯酸聚合物应用于网球和匹克球场地涂料

2023-08-29 08:20:37 960
水性色浆
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许多网球场和匹克球场地涂料都是基于传统的户外用丙烯酸乳液聚合物,但是可以专门设计聚合物,以使涂料可以满足更高的性能要求。除了要有出色的抗紫外线能力以承受充分的阳光照射外,这些涂料还必须经得起人流的磨损,并与球场纹理用的沙子填料有良好的附着力。它们还必须能够涂成厚厚的薄膜,但仍能快速干燥,以便在喷涂后涂层变湿时不会起泡。现在设计了一种具有良好耐磨性和耐水性的交联丙烯酸聚合物,评估后认为可能应用于球场涂料。


本文对这种交联丙烯酸聚合物的性能与运动场地涂料中使用的传统丙烯酸进行了比较。

运动场地涂料需要满足几个关键的性能要求。良好的耐磨性是很重要的,这样涂料就能承受住网球和匹克球比赛时运动员反复出现的突然启动和停止带来的磨损。涂料需要有良好的早期耐水性,所以如果涂料在完全固化之前暴露在水中,也不会形成水泡。涂料还需要对底层(通常是混凝土或沥青)有良好的附着力,以防产生砂眼,当然良好的长期耐久性也是必须的。


最后,涂料中使用的聚合物必须与用于赋予涂料质地的沙子有良好的粘合力。这是很重要的,因为当用于涂层的沙子因磨损而流失时,球场的比赛速度会发生变化。沙子的流失会使表面更加光滑,从而使球的弹跳力降低,并使比赛速度加快。由于沙子通常在表面上不均匀地流失,球场上会出现一些区域打球速度比其它区域快的情况。具有良好沙子附着力的运动场地涂料最好需要较少的重涂次数来保持比赛所需的速度。


丙烯酸聚合物的配方可进行改进,来改善用于运动场地涂料的性能。丙烯酸聚合物可以在环境温度下进行自交联,因为已经证明交联是可以提高耐磨性和拉伸屈服强度。丙烯酸聚合物还可以加入附着力改性剂,因为这些改性剂可以帮助提高对沙子和基质中骨料的附着力。抗污能力可以通过几种策略来改善,包括使用交联剂、紫外线吸收剂或硅烷。最后,乳液聚合物中使用的表面活性剂的数量已被证明会影响耐水性。因此,丙烯酸树脂需要用符合良好聚合物稳定性的树脂及最小量的表面活性剂来配制。



材料和方法

实验通过一种全丙烯酸交联聚合物与该聚合物的不含交联剂变体进行比较。这两种聚合物的Tg为7℃,MFFT为<0℃,并且都是50%的固含量。在第二轮实验中,将交联的聚合物与一种常用于网球和匹克球球场涂料的竞品丙烯酸聚合物进行了比较。关键词:家具透明漆、汽车透明漆、通用色浆厂家、色浆有几种颜色、色浆是什么、国内色浆企业排名、色浆色膏、供应色浆、色浆生产厂,色浆用炭黑,涂料色浆品牌。

用不同的聚合物配制了运动场地彩色面漆,PVC含量为20.6%,VOC含量为32克/升,体积固含量为36%。聚合物的含量是以体积固体为基础进行调整的,还包括了基于聚合物重量4%的固体的疏水性凝聚剂。彩色面漆配方中含有5%的铬绿颜料和12%的霞石正长岩填充颜料(按总配方重量计算)。实验使用了一种多酸分散剂,并使用HEC增稠剂和凹凸棒石粘土的组合对配方进行了增稠。在实验性彩色面漆配方中没有使用纤维,因此可以进行拉伸和伸长率测试。一些测试是在稀释的彩色面漆中加入80目沙子来模拟沙子填充的纹理面漆。

测试方法

对含有和不含交联剂的两种实验性聚合物进行了以下测试评估。

◆ 早期耐水性:在乙烯擦洗图上画下20密耳的湿膜,在室温和50%的相对湿度下干燥4小时,然后将面板半浸在水中,浸泡一晚。用1-10的标准来记录平均水泡大小(10=无水泡)和水泡的密度(无、少、中、密)。
耐刮擦性:没有添加沙子的涂料依次使用7密耳的陶氏刀片在乙烯基刮擦图中拉下来。面板老化一周,然后在Gardner刮擦测试器上使用刮擦刷和SC-2 Leneta刮擦测试介质检查耐刮擦性。测试是在垫片上进行的,记录了垫片首次破损和贯穿所需要的次数。

◆ 拉力/伸长率:伸长率的测试是通过先用15密耳的块状材料在离型纸上拉下每一种涂料。过夜后,在老化的涂膜上直接涂上第二层,让其老化两周,一周后将涂膜剥开并翻转过来。然后从每层薄膜上打出10条尺寸为0.5英寸×3英寸的样品条,并在联合STM-10 kN拉伸试验机上以2英寸/分钟的速度拉伸,使用10磅的负荷传感器。记录10个样品的平均拉伸和伸长率。

◆ 吸污:抗污能力是通过在未处理的QUV铝板上用15密耳的块状物拉下每种涂料来进行的。每个面板老化一周,然后暴露在QUV-A灯泡下18小时。一半的面板被涂上83%的红色氧化铁溶液,并让其干燥一晚。第二天,用湿纸巾擦去污垢溶液,去除所有残留物。记录清洁区域与擦拭区域的∆E。


在研究的第二部分,对竞品聚合物和交联丙烯酸酯进行了如上相同的测试以及以下额外的测试。


◆ Taber耐磨性:用Taber Abrader测试了添加和不添加沙子的油漆,以评估沙子的保留。每种涂料都被刷在木板上,只刷一层,让其老化一晚,然后再刷第二层。然后让木板老化一个星期。在磨蚀前对木板进行称重,然后用CS17轮子和500克的砝码在5135型Taber旋转平台磨蚀试验机上磨蚀100或200次。完成后,再次对样品进行称重以记录重量损失。

◆ 水膨胀:水膨胀是通过在离型纸上铸膜,然后切开一个1英寸见方的部分来进行。对切片进行称重,然后浸泡一周。将切片在纸巾上快速擦干,以去除表面的水分,然后重新称重。

◆ 低温柔韧性:为了测试低温柔韧性,在经过处理的铝质QUV面板上用40密耳的块状材料拉下涂料,并老化三天,然后在120℉的烘箱中放置五天。然后面板被冷却到-15℉。当温度仍为-15℉时,面板在1/2英寸的心轴上被弯曲。对样品进行评估,看其是否有裂纹和其他沿弯曲方向的薄膜缺陷。

◆ 对混凝土和沥青的附着力:涂料在停车场的老化混凝土或老化沥青上分两层刷出。混凝土和沥青的干燥附着力是用附有2英寸滑轮的Elcometer 106 / 6来测试的。滑轮用两部分环氧树脂胶粘在涂层上,并经过一夜的固化。记录拉动滑轮的力量和故障类型。

◆ QUV-A:为了加速风化,每一种涂料都用15密耳的木条在未处理过的铝板上拉下来,让其老化一周。老化后,根据ASTM G154 cycle1,每个面板在QUV中运行1000小时。与面板的初始颜色和光泽度相比,测量暴露区域的∆E和光泽度变化。


结果:交联的影响


表1给出了实验室对无交联的丙烯酸与交联的类似物在运动场涂料中的评估结果。


由于运动场地的涂料会受到跑步时脚部的冲击和球的撞击而产生磨损,因此薄膜的韧性和耐磨性非常重要。


衡量薄膜韧性的一个标准是聚合物的耐刮擦性,尽管聚合物的相对耐水性和耐碱性可能也在这个测试中起作用。实验发现用交联的丙烯酸制造的涂料比未交联丙烯酸类似物制造的涂料具有更好的耐刮擦性。据报道,几种类型的交联聚合物的耐刮擦性都有所提高,本研究中较高的耐刮擦性可能与丙烯酸聚合物的颗粒内交联有关。交联薄膜的韧性增加体现在拉伸和伸长率测量中。交联的涂料(582 psi)比未交联的涂料(249 psi)具有更高的拉伸强度(图1)。机械性能的提高在一些不同种类的交联研究中也有不少报道。耐刮擦性的提高和更高的抗拉强度可能表明交联的丙烯酸树脂能很好地承受网球或匹克球运动中的冲击或运动中脚步对其的磨损。


如果运动场地涂料太软,它们会吸收来自人流或环境的污垢,从而导致变色。在实验室的污垢收集测试中,将氧化铁浆涂在面板上,较软的薄膜通常会保留更多的氧化铁颜料,从而得到较高的ΔE颜色测量值。交联薄膜在实验室污垢吸收测试中的ΔE值较低,这可能表明交联薄膜在运动场上使用时可能会改善污垢吸收能力。随着球场的老化,这种抗污能力的提高可能会导致外观的改善。


对于网球和匹克球球场涂料,耐水性也非常重要,因为涂层的起泡是一个经常被投诉的问题。当部分固化的涂层暴露在积水或降雨中时,就会出现起泡现象。由于涂料通常是在一天内涂上两层相对较厚的涂层,如果涂料在干燥几个小时后暴露在意外的降雨中,就很难获得良好的抗泡性。在这项研究中,如果让两种涂料过夜固化,它们都有非常好的抗泡性,但与未交联的对照组相比,有环境温度下交联的涂料在早期耐水性方面有明显的改善(图2)。随着早期耐水性的提高,交联技术可能有助于防止在干燥仅几小时后出现突然的暴雨时,场地因为涂层起泡被投诉。


然而,环境湿度被发现对早期耐水性很重要。在65%的湿度下,交联的涂料需要更长的时间(6小时而不是4小时)才能达到抗泡性。即使在6个小时的时间里,交联的丙烯酸树脂仍然比非交联的对照组要好得多,因为对照组涂料的固化速度也很慢。

自交联聚合物在耐刮擦性、拉伸强度、抗污性和早期耐水性方面均优于未交联的对照组,所有这些都可能表明运动场涂料的性能得到了改善。为了确定其性能是否可以在商业上接受,我们将交联对照组与一种竞争性的丙烯酸聚合物进行了比较,这种聚合物通常用于运动场地涂料。

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结果:与竞品聚合物的比较

表2是该交联聚合物与一种用于运动场地的竞品丙烯酸聚合物比较的结果。聚合物1是实验性的自交联丙烯酸树脂,其固体含量为50%,Tg为7℃,MFFT为0℃。聚合物2是一种用于运动场地的竞品全丙烯酸酯,固体含量为65%,Tg为12℃,MFFT为9℃。在这部分测试中也使用了运动场地配方,按体积固体含量替换了聚合物,部分测试还加入了沙子。

表2. 实验室对交联聚合物与一种用于运动场地的竞争性丙烯酸聚合物的评估结果。


耐刮擦性通常被认为是衡量耐磨性的一个标准。在没有添加沙子的配方中,与交联对照组并排。在环境温度下交联的涂料比竞争性聚合物有更高的耐磨擦性。

另一个耐磨性测试是Taber测试。在这个测试中,油漆板被暴露在一个旋转的研磨轮上,测量重量损失。Taber测试是在添加和不添加沙子的油漆上进行的。在不加沙子的情况下,重量损失没有太大差别,但在加沙子的测试中(图5),交联丙烯酸酯的重量损失比竞品丙烯酸酯低得多。在有沙子的配方中,交联聚合物的重量损失较低,一个可能的原因是聚合物对沙子有更好的附着力,这可能是由于交联或使用了附着力改性剂的原因。它表明交联丙烯酸树脂的保沙性比竞争性聚合物好,交联丙烯酸树脂在运动场上的沙子流失较少。由于沙子流失会导致运动性能下降,只能通过重涂来补救,因此交联聚合物可能减少重涂的可能。

图5是用这两种聚合物制成的涂料的早期耐水性结果。在这项测试中,厚膜在50%的相对湿度下干燥4小时,交联丙烯酸酯的早期耐水性比竞品聚合物2号好得多。交联丙烯酸树脂的早期耐水性可能有助于防止新膜在干燥几小时后暴露在雨中而出现起泡故障。由交联聚合物制成的涂料具有更好的耐水性,这可能是由于薄膜对水的敏感性较低。

另一个耐水性的测试是水膨胀测试。在这个测试中,将油漆的自由薄膜浸泡在水中一周,测量其重量变化以表明干膜吸收了多少水。水膨胀试验的结果显示在图6中。环境温度下的自交联已被证明可以减少透明薄膜的吸水率,尽管程度相对较小。在这种情况下,与竞品聚合物相比,水膨胀的改善可能是由于交联、单体选择和聚合物之间的表面活性剂差异的综合结果。


运动场涂料还需要平衡灵活性和韧性。柔韧性是为了在基材因温度变化而膨胀或收缩时,薄膜不会开裂。薄膜的韧性有助于实现良好的耐磨性。拉伸和伸长率数字表明,交联聚合物的拉伸强度较高,表明薄膜韧性较强,但伸长率低于竞争性聚合物。如果伸长率太低,漆膜可能会在低温下开裂,所以实验还进行了低温柔性测试。


在这个测试中,面板老化一周,然后在-15℉平衡板后,在四分之一英寸的心轴上弯曲。油漆在弯曲处被拉伸的开裂量被认为是衡量薄膜在低温下能与基材移动的程度。低温弯曲试验的面板显示在图7中。尽管伸长率较低,但交联聚合物的抗裂性比竞品聚合物好,即使在现场极端温度变化引起的应力下也能弯曲。

图8是抗污测试的面板。与竞品聚合物相比,交联丙烯酸树脂的变色程度更低,抗污能力更强。

与基材之间的附着力也很重要。如果基材膨胀或收缩,具有良好附着力的涂料就不容易脱粘,而且它们可以更好地抵御在薄膜暴露于水中时可能导致起泡的力量。这两种涂料都有很好的附着力,在老化的混凝土和沥青停车场上进行的拉断试验中,由于基材不合格而实验失败,但是预计在混凝土或沥青基材上建造的运动场地上都会有良好的耐久性。

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结论

与同配方的非交联丙烯酸相比,交联的丙烯酸在配方制成运动场地涂料时,在性能上有几个明显的改进。交联丙烯酸酯具有更好的早期耐水性、耐刮擦性、抗污性和更高的拉伸强度。


在与用于运动场地涂料的竞品商业丙烯酸聚合物的比较中,也可以看出自交联和整体聚合物设计的优势。与竞品聚合物相比,交联的丙烯酸树脂具有更好的耐刮擦性、耐污性和更高的抗拉强度。此外,在与沙子的配方中,交联丙烯酸树脂具有更好的Taber耐磨性,这可能表明其具有更好的沙子保持性。最后,交联聚合物的早期水泡抗性明显优于其中一种竞品,与另一种产品相当。


实验室测试的交联丙烯酸树脂的性能总体上非常好,应用于运动场地时的性能预计也会非常好。这项技术已经商业化,并成功地应用于运动场地。

作者:Greg Monaghan,Roderick Marshall,EPS工程聚合物解决方案


▷ 内容来源 | 涂料与油墨中国版

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