水性金属闪光漆的流变行为控制

0 引言

为了使水性金属闪光漆外观呈现强烈的闪烁效果，金属片状颜料的定向和解絮凝就显得非常重要。为了优化涂料中片状金属颜料的定向，涂料的流变行为起到至关重要的作用。众所周知，水性涂料的流变行为控制要比溶剂型涂料难得多。一般认为，水性涂料黏度足够小，并伴有假塑性流动行为即能达到良好的流变控制，但这还不够。涂料的黏弹性行为起着决定性作用，当涂料喷涂后，弹性部分必须大于黏性部分，这样是为了在一个较弱的凝胶体系中使片状金属颜料固定，从而达到定向效果。

1 水性金属闪光漆的特性

金属闪光漆主要通过片状效应颜料来达到金属闪烁效果，颜料表面会产生类似于镜面的光反射。在不同角度观察金属闪光漆时，会产生不同的明度，这就是所谓的“跃变性”。金属颜料（以铝粉为主）和珠光颜料在涂膜中的排列状态对跃变性和随角异色效果影响很大。如果片状铝粉或珠光颜料在涂膜中呈无规排列，则光线照射在这些颜料上呈现漫反射，随角异色效应很小；如果片状铝粉或珠光颜料在涂膜中的排列呈有规取向（平行于表面或底材），则入射光在其表面呈现定向反射，结果反射光强度很大，而在其它角度观察，光强度均很弱，造成强烈的跃变效果，即在同一入射光角度下，随观察者视角的变化，涂膜的明度发生强烈的变化（见图1）。也可通过光学显微镜观察良好的铝粉定向与不规则铝粉定向之间的差异。

2 水性金属闪光漆中效应颜料的定向

在溶剂型金属闪光漆中，即使没有流变助剂，效应颜料的定向也可以得到良好地控制。这是由于溶剂挥发速率较快，漆膜干得很快，在湿膜收缩过程中，效应颜料会迅速在垂直方向固定。流变助剂仅仅赋予效应颜料在贮罐中的贮存稳定性和在车间循环管路中的循环稳定性。相比于溶剂型金属闪光漆，流变助剂在水性金属闪光漆中会对喷涂后漆膜的外观产生显著影响。选择适当的流变助剂对漆膜最终的效应颜料定向起着至关重要的作用。这是因为水的挥发速率相对于溶剂要慢得多，湿膜中有足够多的水可以流动，这样效应颜料会在很长一段时间内保持流动状态，以至于失去良好的定向效果。在水性金属闪光漆中，需要将效应颜料定向作为重要的考虑因素。所以，为水性金属闪光漆选择助剂需要考虑以下因素：在贮存过程中防止沉降；在施工过程中有适当的黏度；在施工后涂料黏度要能迅速恢复。假塑性流动行为可以满足上述要求，即涂料喷涂时会剪切变稀，喷涂后黏度会迅速恢复。当然，除了效应颜料定向这一因素需要考虑外，其它因素同样非常重要，比如抗流挂性、厚边效应以及雾影效应（见图2、3）等。如果涂料施工黏度太低，那么上述漆膜缺陷就会一一呈现。

据相关研究表明：在水性金属闪光漆中，黏弹性也是非常重要的影响因素。在弹性体中，如果需要效应颜料有良好的定向，那么涂料喷涂后，弹性部分必须要大于黏性部分。只有这样，颜料粒子才能够在弱凝胶结构中固定，从而在闪干和干燥过程中有良好的定向。

3 黏弹体

黏弹性是流体的黏滞性及弹性的综合性能。理想的黏性行为：材料因应力而产生形变，形变随时间呈线性变化；当应力消失后，无形变能量储存，形变不可恢复。水、溶剂、矿物油等牛顿流体都具有黏性行为。理想的弹性行为：材料因应力而产生形变；当应力消失后，形变能量会被储存，形变可完全恢复。鱼胶、豆腐等都具有理想的弹性行为。黏弹性行为：呈现黏性和弹性双重性能，形变只是部分发生，主要取决于两者所占比例。理想的黏弹体，比如凝胶，当被牛顿流体稀释后，就属于黏弹性材料。目前，日益流行的试验方法不是施加恒定应力产生稳态流动，而是给黏弹性样品施加振荡应力和振荡应变，然后用流变仪测定产生的相对于时间的应变值。在这种动态试验中，黏弹性液体甚至固体样品不会受到机械搅乱，其内部结构也不会受到破坏，样品仅仅是在静态进行流变学的研究。采用振幅扫描，可以很容易地定义出线性黏弹区，绝对屈服值和关于样品稳定性的基本信息。振荡测试得到2组数据，即储存模量G（′ 样品的弹性部分）和损耗模量G′（′ 样品的黏性部分）。较高数值者将决定样品的稳定性，有以下两种可能性：
（1） G″> G′，黏性形变行为优于弹性行为，测试样品呈现流体特性。典型例子如高温聚合物熔体、聚合物溶液、低相对分子质量聚合物（短分子链，缠结较少）、非聚合物流体等。

（2） G″< G′，弹性形变优于黏性形变，结构呈现一定的刚性，这显然是固体或膏状体。对于分散体，如低黏度涂料，这种模量比率意味着静止状态呈膏状行为。
4 具有弹性的假塑性流变助剂

一般来说，可以通过膨润土或者丙烯酸酯增稠剂来调节涂料黏度，但如果要增加涂料弹性的话，上述两种助剂就不适用了。膨润土不易分散，即使在预分散的前提下，也会有起粒现象；丙烯酸酯增稠剂即使在预分散或预中和的情况下，还是常常会使涂料泛灰。聚氨酯增稠剂虽便于添加，但是它没有明显的弹性，且会与基料发生反应。水性聚酰胺未被广泛使用，主要是由于它和膨润土一样，不易添加，对系统非常敏感，通用性不强。通过一系列理论综述，在含效应颜料的水性涂料体系中，具有弹性的假塑性流变助剂（Rheology-Modified Wax Additive 流变改性蜡助剂）应该对水性金属闪光漆的流变行为和效应颜料的定向提供最有效的作用，见表1。

5 实验验证

基础水性金属闪光漆配方如表2 所示。
水性金属闪光漆的配方

首先比较流变改性蜡助剂和聚氨酯流变助剂对金属闪光漆流变行为的影响（如图4 所示），测试仪器为Anton Paar 公司的Physica MCR 301 流变仪（Rheometer）。
水性金属闪光漆的流变行为比较

由图4 可见：不考虑形变的程度，添加聚氨酯流变助剂的水性金属闪光漆主要体现为黏性流动行为，而且黏性组分明显高于弹性组分；与之比较，添加流变改性蜡助剂的金属闪光漆体现了黏弹性流动行为，而且弹性组分要明显高于黏性组分，弹性组分被破坏后留有一段线性黏弹区（10% 左右的形变）。因此，涂料的施工性能：铝粉定向，涂层均质性以及抗厚边性都会被改善。

接下来研究不同用量的流变改性蜡助剂对水性金属闪光漆流变行为和铝粉定向的影响（见图5）。采用旋杯静电喷涂，清漆采用标准单组分OEM清漆，水性金属闪光漆黏度约为400~500 mPa·s，Brookfield RVI/Sp.3/50 r/min，湿碰湿工艺，色漆闪干5 min，强制闪干5 min，清漆闪干7 min，140℃烘烤20 min。测试结果见表3。
流变改性蜡助剂用量对水性金属闪光漆流变行为的影响