一种新型水性气雾漆的研制

一种新型水性气雾漆的研制

□ 陈炳耀1,3，杨高产1，梁银齐2,3，陈绮文2
(1.广东三和化工科技有限公司，广东中山 528429；2.佛山夫田涂料化工有限公司，广东佛山 528325；3.中山市阜和化工科技有限公司，广东中山 528434）

0 前 言
目前国内外广泛使用的气雾漆，主要采用溶剂型树脂作为成膜物质，料液含有大量的有机溶剂，如：苯、二甲苯、丙酮等，这些挥发性有机化合物在成膜过程中挥发到环境中，不但危害施工人员还会挥发到大气中而造成环境的污染和资源的浪费。随着人类对环境保护意识的增强，世界各国纷纷出台相应的环境保护法规来限制涂料中挥发性有机化合物的排放，开发环境友好型的水性气雾漆的工作迫在眉睫。在气雾漆中，溶剂型气雾漆以其施工方便、操作简单而被广泛地应用。可是水性气雾漆因涉及多方面的技术因素而相对滞后，有必要对这一领域加强技术投入和全面推进强化。本文通过对抛射剂、树脂、水性气雾漆稳定性的影响因素、料气比、助剂等进行探讨，结合气雾剂产品特点和设计的要求，研制出一种新型水性气雾漆，各项性能指标可与溶剂型气雾漆相媲美，可替代溶剂型气雾漆，具有一定的市场和推广价值。

1 试验部分
1.1 主要原材料
水溶性丙烯酸树脂；X-405，上海献捷化工科技；Tech-504S，上海泰格聚合物技术；EFKA-5071、EFKA-4010，荷兰埃夫卡；BYK-034，毕克；840S，德国迪高；Nopco8034L、SN-154，科宁；ATC701，中山市康顿精细化工。
1.2 仪器与设备
SFJ-400砂磨、分散、搅拌多用机，上海现代环境工程技术；盐雾试验机，中宝检测仪器设备；刮板细度计，上海现代环境工程技术。
1.3 水性气雾漆色浆的制备
将分散树脂和分散剂搅拌均匀后加入颜料，高速分散均匀后砂磨至细度合格，配方见表1。
表1 水性气雾漆色浆基础配方

1.4 水性气雾漆漆料的调制与稳定性测试
在600 r/min的转速下，依配方将树脂、水、助剂加入分散釜中，边分散边加入色浆，进行调色，待色相合格后，分散30 min，制成漆料；将漆料过滤，按一定的料气比，进行灌装成气雾漆，配方见表2。
表2 水性气雾漆漆料基础配方

测定制备好漆料的细度，再将此漆料装入带刻度的试管中，用玻璃纸封盖，存放于试管架中静置3 h后，记录清液层的高度，重新测定漆料的细度。分层的程度用相对沉降率K表示，K=h/H，其中，h为清液层高度，H为漆料总高度。
1.5 水性气雾漆性能测试
依据BB/T 0047-2007、GB/T 14449-2008进行检测，结果见表3。

2 结果与讨论
2.1 抛射剂的选择
常温常压下二甲醚为无色、具有轻微醚香味的气体，在压力下为液体；且常温下二甲醚具有惰性,不易自动氧化；无腐蚀性,无致癌性[1]。作为抛射剂二甲醚具有以下优点:①压力适宜；②低毒性，毒性明显低于丙烷等烷烃；③在大气中的寿命与丙烷、丁烷相同；④对极性和非极性物质的高度溶解性，使二甲醚在气雾剂的配方中兼有溶剂的作用；⑤水溶性,可以改变和简化气雾剂的配方；⑥与不燃性物质混合能够获得不燃性物质，这一独特的性质可使二甲醚得到更广泛和安全的应用。二甲醚作为抛射剂，对金属无腐蚀、易液化，特别是水溶性和醇溶性均较好,使其作为气雾剂具有推进剂和溶剂的双重功能[2]。气雾漆的料液体系与二甲醚的相容性好，使得内容物在喷出时抛射剂和料液能够均匀持续地喷出，在抛射剂汽化时将料液充分雾化。
2.2 树脂的选择
在气雾漆中一般选用丙烯酸树脂作为成膜物质，一方面其品种多、性能各异，无论在直接分散溶解或合成高分子乳液时均能表现出优良的性能；另一方面由它制备的气雾漆具有光泽高、丰满度好、耐腐蚀性好、户外曝晒耐候性好、涂膜不易分解或变黄、使用温度范围宽的特点。水性树脂影响和支配着水性气雾漆涂膜层的光泽、附着力、耐磨性、抗水性、柔韧性及干燥性能，起到保护基材的作用。基于水性树脂的结构和性能，被涂覆基材的种类和使用环境以及性价比等因素的考虑，本试验选用4种不同结构类型的水性丙烯酸树脂，在满足气雾漆要求的前提下，以涂膜性能为评价标准，进行配方初筛。结果如表4所示。

从表4可以看出，有树脂C制备而成的气雾漆，涂膜综合性能优良。这是因为水性丙烯酸树脂本身一般均含有—COOH、—OH、—NH2等亲水基团，使其具有良好的附着力、耐蚀抗渗和良好的物理性能，但也存在耐水性、耐冲击性差等缺陷。针对这些缺陷，可通过化学改性的方法对其进行接枝改性，增加了功能性官能团，提高气雾漆的耐候性、耐腐蚀性和耐水性等。树脂C就是经过接枝改性，具有很好的成膜性能与流平性能。树脂成膜时通过助溶剂的挥发和功能性官能团，分子间的范德华引力和化学键作用增大，分子间不易滑移，分子间形成了物理、化学交联点，分子链相互缠绕形成巨型网状空间结构，使得交联固化程度良好，从而具有附着牢度高、耐腐蚀性好、耐水性好、干燥迅速、耐机械摩擦等性能。
2.3 分散剂的选择与用量的确定
气雾剂的极细雾粒与内容物的组成、表面张力、黏度及外界温度有关。综合考虑内容物的特性就显得十分重要。内容物的稳定性受分散效果、分散剂的分子量及用量、pH值、电解质等诸多因素的影响[3]，因此在内容物分散过程中要控制好分散条件及选择效果好的分散剂，这为制备性能稳定的气雾漆奠定了基础。

从图1可知，14 d内4种分散剂形成的分散体系稳定性较好，但随贮存时间增加X-405、Tech-504S分散体系急剧变差。EFKA-4330的增稳效果高于X-405、Tech-504S、EFKA-5071。这是因为EFKA-4330是新一代可控自由基型高分子量共聚物，含有颜料亲和基团，中间段为多活性基的亲水性吸附链，在颜料表面上吸附点多，吸附牢固，不易解吸，两端为亲油性分散链，链节多而长，在树脂溶液中能充分地舒展开，在颜料表面上形成的吸附层厚而且牢固，形成网络结构，粒子间位阻大，有效地起到屏障的作用，打破颜料缔合的二次结构[4]，确保已经分散好的颜料颗粒不再能轻易地聚集在一起，所以增稳效果好。而X-405、Tech-504S、EFKA-5071分散剂是低分子量聚合物，分子是由亲油基和亲水基两部分构成的线性结构，分子链中亲水性活性吸附基少，吸附强度弱，容易解吸；亲油基长度不够，形成的吸附层薄，不能在粒子间形成有效的斥力，所以增稳效果要差些。经比较分析，最终选择了高分子量解絮凝型润湿分散剂EFKA-4330。

从图2可知，不加分散剂时，颜料粒子的细度变化大，沉降率高，体系稳定性差，加入分散剂后，体系的稳定性明显增大。这是因为体系中无分散剂存在时，颜料粒子表面未被分散剂分子有效覆盖，表面的吸附层薄，空间位阻小，粒子间的作用力较强，易聚集，导致沉降，所以体系稳定性差。加入分散剂后，由于分散剂是一种表面活性物质，具有两亲性，它不但能促进树脂在颜料表面的吸附，而且它本身的亲水性部分还极易吸附在颜料表面，亲油性部分在介质中充分伸展，以致相互接触，形成双电层，阻止颗粒絮凝从而形成稳定的分散体[5]。当颜料粒子表面被分散剂完全覆盖后，再增加分散剂用量，过剩游离的分散剂分子会在粒子间架桥，导致粒子重新聚集、返粗、沉降，使体系的稳定性下降[6]。因此必须避免使用过量的分散剂。
由以上分析可知，在此体系中分散剂的最佳用量0.35%，此时分散体系稳定性好，细度变化、相对沉降率均较小。

2.4 消泡剂的选择与用量的确定
消泡剂的选用是一个比较复杂的问题，品种选用不当或用量不适当，会产生不良副作用，不仅会引起缩孔、针孔、鱼眼等弊病外，还会引起涂膜表面光泽下降、附着力和耐水性降低[7]，因此在水性气雾漆制备过程中，消泡剂的正确选择和使用是影响产品质量的一个重要因素。本试验选用BYK-034、840S、Nopco8034L、SN-154四种消泡剂来研究对水性气雾漆产品质量的影响，通过考察气雾漆涂膜的表面性能、贮存稳定性及消泡剂的消泡效果和长效性，确定用于水性气雾漆的消泡剂种类和用量。消泡效果可用测定水性气雾漆漆料的密度来判断，密度高表示夹带空气量少，消泡效果好。

由图3可知，不同的消泡剂对气雾漆漆料的密度产生了影响，侧面反映了对水性气雾漆的消泡效果和长效性不同。一个消泡剂是否可用，不仅看刚生产时涂膜的效果，更重要的是该消泡剂能否长期保持良好的消泡效果。从空白对比来说，4种消泡剂都有一定的消泡效果，至于消泡的长效性，SN-154明显差于其他，Nopco8034L无论是刚开始，还是贮存4周后都表现出良好的消泡效果。因此，本试验选用Nopco8034L作为水性气雾漆的消泡剂。缩孔现象与消泡效果是一对矛盾。消泡剂用量多时，缩孔大，用量少时，缩孔也小。本试验选取一系列点来研究消泡剂的最佳添加量，见图4（水性气雾漆漆料无泡时的密度是0.893 g · mL-1）。

从图4可以看出：消泡剂添加量少时，消泡剂分子渗透到气泡膜的数量少，降低气泡膜强度弱，消泡效果不明显，漆料密度较低，涂膜仍出现气泡。随着消泡剂的增加，消泡剂分子渗透到气泡膜的数量增加，降低气泡膜强度增强，消泡效果提高，漆料的密度升高，涂膜平滑，无气泡出现。当添加量达到0.2%时，漆料的密度最大，与漆料无泡时的密度最接近，说明此时的用量消泡效果最好。随着添加量的继续增加，漆料的密度有所下降，消泡效果降低，当添加量达到0.3%时，涂膜出现缩孔。因此，消泡剂的最佳添加量为0.2%。
2.5 料气比的确定
雾滴尺寸是液体化学物质喷洒应用中的核心，它的大小对应用效果起着十分关键性的作用。不同的混合物，不同的环境条件，都有其相应的最佳适用雾滴大小。对于气雾漆来说，影响产品雾滴尺寸的主要因素有抛射剂的种类与含量、内容物的理化性质、阀门的结构尺寸和微雾头的结构等[8]。在保持抛射剂、阀及喷孔大小不变时，来探讨料气比对水性气雾漆雾化效果的影响。结果表明，抛射剂含量高时，内压过大，易爆罐，且漆料被稀释，雾滴较小漂浮于空中不易达到目的物而影响使用效果；抛射剂含量太少，则可能雾化效果差，易堵塞阀门，喷雾不均。结合气雾漆行业和自身的特点综合考虑，最终确定水性气雾漆的料气比范围为m（漆料）∶m（DME）=1∶1～1∶1.5。
2.6 缓蚀剂的选择
用马口铁罐和铝罐封装的气雾剂产品都存在着罐的腐蚀问题。水基型气雾剂产品配方，以二甲醚为抛射剂的情况下，罐的腐蚀问题日趋严重[9]。二甲醚为优良溶剂，能使金属罐内涂的环氧树脂层发生溶胀，结果不仅暴露金属表面发生腐蚀，而且剥落的树脂可污染气雾剂并阻塞阀门和喷头，以致于二甲醚—水系统的气雾剂产品不能用内涂的金属罐。同时由于二甲醚具良好的水溶解度和高挥发度，在罐内的气相部分带入较多的水，加剧罐内的气相腐蚀。金属腐蚀的机理：阳极过程和阴极过程的总反应，Fe + 2H+→Fe2+ + H2↑。这样的阳极、阴极和电解质构成了一个电化学腐蚀原电池，一旦热力学条件和动力学条件同时具备时腐蚀原电池就会自发地持续不断继续下去，腐蚀就会不断地发生。根据金属腐蚀原理选择缓蚀剂来控制气雾罐的腐蚀，本文选择在水性气雾漆中添加ATC701缓蚀剂，添加量在0.1%～0.3%，利用缓蚀剂的协同作用，增加抗腐蚀的时间，同时也缓解对金属腐蚀的强度，达到较好的腐蚀控制效果。

3 结 论
（1）本文通过单因素试验，确定了水性气雾漆的主要组成及其用量。以水溶性丙烯酸树脂为成膜物质，以水为助溶剂，以DME为抛射剂，制备了一种水性气雾漆。当分散剂EFKA-4330用量为0.35%，消泡剂Nopco8034L用量为0.2%，m（漆料）∶m（DME）=1∶1～1∶1.5，缓蚀剂ATC701 用量在0.1%～0.3%时，水性气雾漆的性能可与溶剂型气雾漆相媲美，可替代溶剂型气雾漆。
（2）通过添加缓蚀剂ATC701，有效解决了气雾剂罐腐蚀的问题，减少了水性气雾漆的穿孔和爆罐的隐患，保障使用者的人身安全。
（3）气雾漆本身由于使用方便快捷而深受人们的喜爱。本文研制的水性气雾漆使用水作为助溶剂，有效降低了VOC含量，减少了污染，符合目前社会倡导的环保理念，是值得推广的环保型气雾漆。