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高光泽深色水性氨基烤漆的研制
陈中华1, 2 ,谭健斌1 ,陈文君1 ,陈海洪2
(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640; 2.广州集泰化工有限公司,广州510665)
0 引 言
氨基烤漆广泛应用于金属件的表面涂装,在要求高光泽的场合,通常采取两种办法:第一,底面合一体系中直接用高光泽色漆;第二,多层涂装体系中用清漆进行罩光从而达到高光泽、高丰满的效果,例如汽车漆[ 1 – 2 ]。在水性氨基烤漆体系中,第二种方法也适合于水性汽车漆,其中水性罩光漆主要由含活性基团的水性丙烯酸树脂或其他成膜树脂与甲醚化三聚氰胺甲醛树脂配合,以水为溶剂、醇或醚类物质为助溶剂混合制得[ 3 – 4 ] ,大大减低了VOC的排放量。由于水性烤漆的光泽和丰满度与油性烤漆存在一定的差距,因此,在底面合一体系中受到了一定的限制。本研究通过选取合适的树脂固化剂体系及颜基比,制备了能用于底面合一体系、光泽高、表面效果好、机械性能优异的深色水性氨基烤漆,并对影响漆膜光泽的多种因素进行了探讨。
1 实验部分
111 主要原料及仪器
水性羟基丙烯酸改性饱和聚酯树脂HD:固含量75% ,北京金汇利有限公司;低甲醚化三聚氰胺树脂072:固含量74% ,巴斯夫;润湿剂:陶氏化学;分散剂:罗门哈斯;氧化铁红、氧化铁黑:拜耳;二甲基乙醇胺:含量: ≥99.8% ,德国;防闪锈剂、防沉剂:海名斯;消泡剂:迪高化工;流平剂:汽巴;二乙二醇单丁醚:陶氏。NDJ – 1型旋转黏度计:上海安德仪器设备有限公司;涂- 4杯:广州德满亿仪器有限公司; QCJ型漆膜冲击器、QTX型漆膜柔韧性测定器、QFH型划格器:上海现代环境工程技术研究所;WGG60 – E3光泽度仪:科仕佳光电仪器研究所;研磨机:江苏武进市东方机械厂;分散机:上海普申化工机械有限公司。
112 水性氨基烤漆配方
通过对各个原料及助剂的选择确定了最佳配方,列于表1。
表1 水性丙烯酸氨基漆配方
113 水性氨基烤漆的制备
将部分水性羟基丙烯酸改性饱和聚酯树脂、胺调节剂、防闪锈剂、氧化铁红、氧化铁黑、润湿剂、分散剂、消泡剂加入容器内,高速分散至细度≤30μm,制成浆料,再将剩余的水性羟基丙烯酸改性饱和聚酯树脂、部分甲醚化三聚氰胺树脂、水、助溶剂及助剂加入浆料中,充分搅拌,最后调节黏度,即得产品。
114 涂料技术性能指标
涂料及涂层的性能指标及测试方法如表2所示。
表2 主要性能指标
* :耐乙醇性:用棉签充分蘸取无水乙醇,在样板上来回摩擦20次,观察漆膜表面变化,是否有变色、永久性划痕,从而定性比较其交联密度。
2 结果与讨论
211 成膜树脂对光泽及其他性能的影响
水性氨基烤漆的成膜树脂种类有水性醇酸树脂、水性丙烯酸树脂、水性聚酯树脂及其多种改性树脂。成膜树脂直接影响了漆膜的光泽、硬度、耐冲击性等性能,即便是同一种类型的水性树脂,制备工艺不同、生产厂家不同,漆膜的最终性能也将不同。本研究对市售多种水性丙烯酸树脂进行了筛选,结果列于表3。
表3 不同丙烯酸树脂对涂膜性能的影响
从表3中可以看出,用水性丙烯酸改性饱和聚酯树脂HD制备的水性烤漆具有较高的光泽,同时,从样板表面效果看漆膜具有较好的丰满度。对HD树脂进行了DSC测试,见图1。
从图1中可以看到玻璃化转变起始温度Tig为- 19.2 ℃;中点温度Tmg为- 12.7 ℃;拐点: – 15.5 ℃;终止温度Teg为- 6.2 ℃。从测试结果可以看出其玻璃化温度较低,因此,和显脆性的氨基树脂交联固化后有可能获得柔韧性良好的涂膜,从表3中也可以看出HD树脂制备的漆膜拥有良好的耐冲击性能。
212 氨基树脂固化剂对光泽及其他性能的影响
固化剂通常选择不同醚化类型或醚化度的三聚氰胺甲醛树脂,包括:丁醚化三聚氰胺甲醛树脂、甲醚化三聚氰胺甲醛树脂、混醚化三聚氰胺甲醛树脂等。由于甲醚化三聚氰胺甲醛树脂的水溶解性较好,被广泛用于水性氨基烤漆的制备[ 5 ]。固化剂的醚化程度和用量对漆膜的光泽和机械性能有较大的影响,为获得较高的光泽和硬度,本文对不同醚化程度的甲醚化三聚氰胺进行了考察,并确定了最佳用量,结果列于表4和表5。
表4 不同醚化程度对漆膜性能的影响
表5 低甲醚化072用量对漆膜性能的影响
从表4可以看出,在相同的烘烤条件下,与高醚化066氨基树脂相比,低醚化072氨基树脂固化后漆膜具有更好的硬度,原因在于高醚化066氨基树脂的反应活性较低,需要在更高的烘烤温度或者加入酸催化剂的条件下,才能较好地交联。而低醚化072氨基树脂由于含有亚氨基,在较低的温度下,就有较好的反应性,因此可以获得硬度更高的涂膜。从表5可以看出,低醚化072氨基树脂的用量在18% ～25%间,漆膜可以获得较优异的综合性能,氨基树脂用量过多,漆膜的耐冲击性和附着力变差;氨基树脂用量过少,漆膜的硬度、耐盐雾性和耐乙醇性变差。
213 颜基比对光泽及其他性能的影响
本研究选用氧化铁黑和氧化铁红,分别占颜料总量的50% ,考察了颜料含量对光泽及遮盖力等性能的影响,结果见表6。
表6 不同颜基比对漆膜性能的影响
结果表明,当颜基比在6∶30～7∶30之间时,漆膜具有较好的光泽和遮盖力;随着颜料含量的增加,漆膜的光泽逐步降低,遮盖力变好,附着力变好;在实验范围内颜料含量对耐冲击性的影响不明显。
214 润湿分散剂对光泽及其他性能的影响
本研究选用阴离子型烷基磺基琥珀酸盐为润湿剂,其在水溶液中具有强烈的降低表面张力的作用,还能增强涂层对基材的润湿及附着,添加量为总量的0.2% ～0.3%;选择了3种常用不同类型的高分子分散剂,考察了其对涂料稳定性及分散效果的影响,结果见表7。
表7 不同类型的高分子分散剂对涂料性能的影响
表7结果表明,在初始研磨时A可以获得快速的低细度40μm,这和聚羧酸钠盐的高润湿性相关,但随着研磨时间延长至1 h,A和B的研磨细度相当,都小于聚丙烯酸铵盐的研磨细度35μm。在升温加速沉降前后, C制备的涂料光泽有一定下降,这是由于在升温情况下,聚丙烯酸铵盐吸附强度下降,从颜料颗粒表面脱落的趋势增强,颗粒表面吸附分散剂的量减少,导致颗粒表面负电荷密度减少,减弱了静电斥力,粒子产生团聚,导致涂膜光泽下降; A 制备的涂料光泽下降最小,这是由于聚羧酸盐在碱性条件下的电离程度高于聚丙烯酸盐,提供的静电斥力相对较强,因此加入分散剂A的体系稳定性最好。C制得的漆膜耐水性最优,因为铵盐会在高温干燥的过程中分解挥发,漆膜上的剩余离子减少,从而使耐水性变好。综合考虑,分散剂B具有较好的综合性能。
215 涂层厚度及烘烤温度对光泽和其他性能的影响
本实验考察了不同涂层厚度(干膜厚度)对光泽及表面效果的影响,结果见表8。
表8 涂层厚度对光泽及表面效果的影响
表8结果表明,涂层厚度在20～30μm之间时漆膜表面平整、光泽高、丰满,当涂层厚度为10μm时,由于基材表面的形貌不能完全被覆盖,影响了漆膜表面光泽;当涂层厚度为70μm时,烘烤后漆膜起泡,严重影响了漆膜表面光泽。为节约成本及表面效果考虑,涂层厚度在20 μm 左右时有较好的效果。除涂层厚度外,烘烤温度更直接影响漆膜的硬度及固化交联程度。本实验考察了不同烘烤温度对漆膜性能的影响,并分别对低温与高温烘烤透明膜进行了DSC测试,结果分别见表9与图2。
表9 不同烘烤温度对漆膜性能的影响
从图2可以看出,低温(100 ℃)干燥时,漆膜的玻璃化温度在22.4 ℃左右, 高于成膜树脂HD 的玻璃化温度- 12.7 ℃,说明成膜树脂HD与氨基树脂在低温干燥时就有一定程度的交联,因此使玻璃化温度提高到22.4 ℃左右。从表9可以看出,当烘烤温度在100 ℃时,由于漆膜的交联效果差,导致漆膜的耐乙醇性有明显划痕;当高温( 150 ℃)干燥时,漆膜的玻璃化温度提高到29.7 ℃左右,说明随着烘烤温度的提高,成膜树脂HD与氨基树脂的交联程度加深,从而使漆膜的玻璃化温度提高,同时漆膜的硬度也得到提高,漆膜的耐乙醇性并没有变化。从表9 可以看出,烘烤温度设置在130 ℃时,漆膜能够具有较好的性能,同时由于烘烤温度低,可以降低能耗。
3 结 语
(1)选用水性丙烯酸改性饱和聚酯树脂以及低甲醚化氨基树脂为成膜物质,当氨基树脂占基料总量的18% ～25% ,颜基比在6∶30～7∶30之间时,漆膜的性能较好。
(2)选用阴离子型烷基磺基琥珀酸盐为润湿剂,聚丙烯酸钠盐为分散剂,漆膜具有最佳的综合性能。
(3)当涂层厚度在20～30μm之间时漆膜表面平整、光泽高、丰满。漆膜的玻璃化温度随烘烤温度而变化,提高烘烤温度可以获得交联固化更完全的涂膜,烘烤温度为130 ℃时,漆膜能够具有较好的性能,同时具有较低能耗。
