改性丙烯酸型阴极电泳涂料的研究

1 前言
阴极电泳涂料是70 年代发展起来的一种新型防腐蚀涂料。它具有比阳极电泳涂料更高的防腐蚀性、涂料利用率和涂装自动化程度,所以能迅速地应用于工业中,特别是汽车底漆的涂装中[1]。近年来,随着汽车工业的不断发展,对涂料的要求越来越高,从而推动了阴极电泳涂料的发展。当前,随着新技术的不断涌现,微电泳涂料的研究已成为汽车涂装界共同关注的课题。本文在总结阴极电泳涂料成功经验的基础上,采用丙烯酸树脂单体作为主体,加入PVB 改性剂,通过共混、聚合和乳化合成了改性PVB 型阴极电泳涂料。该涂料涂膜具有优异的附着力和高的抗冲击强度,适用于化工管道、包装桶、池槽等的防腐以及汽车、自行车部件,建筑网架构件,电气绝缘器件和网栅等的防护与装饰。

2 实验部分
2. 1 主要仪器及试剂
仪器有:ND-9S 型数显黏度计(上海精密科学仪器有限公司),QFZ-II 型漆膜附着力试验仪(中国天津材料试验机厂),Q153-3K 型漆膜冲击器(中国天津材料试验机厂),MC-2000A 型漆膜测厚仪(济宁科电检测仪器有限公司),电泳电源(武汉材料研究所),QND-1 型涂–4 黏度计(中国天津材料试验机厂),电导率比电阻测定仪(上海卓鑫科学仪器有限公司),pH 计(佛山杰仕达仪器有限公司)。试剂有:丙烯酸乙酯,丙烯腈,甲基丙烯酸,过硫酸铵(APS),化学纯;PVB(聚乙烯醇缩丁醛),油酸,十二烷基硫酸钠和六甲氧基甲基三聚氰胺为工业品;改性剂R、复合型乳化剂,自制。

2. 2 实验步骤
2. 2. 1 PVB 改性丙烯酸乳液的制备
2. 2. 1. 1 PVB 的水性化
取10 g PVB,加入8 mL 油酸混合加热搅拌,使二者混熔,反应45 min;同时将5 g NaOH 配制成50 mL溶液,加入微量OP 乳化剂和十二烷基硫酸钠,预热。之后把预热的NaOH 溶液分批倒入到混炼的PVB 熔融液中,快速搅拌,得到乳白色略显黄色的稠液,即水性PVB 胶黏剂,出料备用[2]。

2. 2. 1. 2 PVB 改性丙烯酸乳液的制备[3-5]
按比例将m(丙烯酸乙酯)∶m(甲基丙烯酸甲酯∶丙烯腈)∶m(丙烯酸丁酯)∶m(甲基丙烯酸)∶m(十二烷基磺酸钠)∶m(OP-10)= 175∶150∶50∶50∶25∶14∶7加入到三口烧瓶中共混,并缓慢升温到80 °C,恒温。按不同比例配制两份过硫酸铵水溶液[m(过硫酸铵)∶m(去离子水)= 1∶130;m(过硫酸铵)∶m(去离子水)=4∶140],将第一份硫酸铵水溶液的10%加入到正在升温的上述单体中引发聚合。待引发聚合(溶液变成乳白色)后在2 ~ 3 h 内,将第一份剩余的引发剂滴加完并保温0.5 ~ 1 h,于恒温80 °C 下加入PVB 溶液混合均匀。然后将第二份引发剂控制在2 ~ 3 h 内滴加完,于80 ~ 85 °C保温2 ~ 3 h,出料。

2. 2. 2 漆液制备及检测
漆液制备方法[6-8]:取适量的乳液于调漆釜中,加入适量色浆和辅助材料,充分搅拌,一定时间后加入纯水,搅拌,熟化72 h。通过测定电导率和pH 确定漆液的泳透力,从而确定漆液是否具有良好的电泳能力。

2. 2. 3 阴极电泳
阴极电泳按以下工艺流程进行:除油─水洗─除锈─水洗─脱脂─水洗─磷化─自来水洗─纯水洗─吹干─阴极电泳─水洗─干燥─检测─成品。
电泳工艺参数如下:
U(电泳) 50 ~ 100 V
t(电泳) 30 ~ 90 s
θ(干燥) 150 ~ 160 °C
t(固化) 20 ~ 30 min

3 结果与讨论
3. 1 油酸用量对PVB 水分散体稳定性的影响油酸的用量对PVB 水性化体系的稳定性有一定的影响。结果如表1 所示。

由表1 可知,当油酸的用量为20%时,所得的PVB水性体系呈白色略带浅黄色的稳定体系,故确定20%为油酸的最佳用量。

3. 2 合成条件对乳液性能的影响
3. 2. 1 搅拌速度对聚合反应的影响
聚合反应搅拌速度是影响乳液聚合的主要因素。搅拌速度过快,聚合反应剧烈易出现破乳;搅拌速度过慢,反应不完全。搅拌速度对乳液聚合反应的影响见表2。从表2 可知,当搅拌速度为120 ~ 240 r/min 时,产生的乳液均匀无沉淀。故搅拌速度以120 ~ 240 r/min为佳。

3. 2. 2 引发剂滴加速度对聚合反应的影响
引发剂的滴加速度是影响乳液聚合的一个因素。如果滴加速度过快,聚合反应剧烈,易出现凝聚物;反之,滴加速度过慢,反应时间过长。引发剂的滴加速度对乳液合成的影响见表3。从表3 可知,引发剂的滴加速度以在1 ~ 1.5 滴/s 为佳。

3. 2. 3 聚合反应温度对乳液性能的影响
聚合反应温度是乳液聚合中的重要指标,如果温度过高,聚合反应剧烈,易出现凝聚物;反之,温度过低,反应不完全。反应温度对乳液性能的影响见表4。从表4 可知,温度控制在75 ~ 85 °C,生成的乳液性质最佳。

3. 2. 4 引发剂用量对乳液稳定性和乳液转化率的影响
引发剂是乳液聚合体系中的重要组分,它对乳液的稳定性有很大的影响。引发剂的用量对乳液稳定性和转化率的影响如表5 所示。

从表5 中可以看出,接枝共聚时引发剂的用量要大于3%,提高其用量有利于发生接枝反应,但过量的引发剂会导致凝胶的产生。引发剂的用量以单体量的6% ~ 8%为佳。

3. 3 固化温度对涂膜性能的影响
固化温度对涂膜的性能有较大的影响。温度过低,涂膜固化不全;固化温度过高,能耗大。本实验选择在150 °C 和160 °C 下烘烤成膜,所得涂膜的性能见表6 所示。表6 表明,固化温度控制在150 ~ 160 °C 之间,所得漆膜性能良好。

3. 4 熟化时间对涂膜性能的影响
熟化时间对涂膜性能的影响如表7 所示。它表明,熟化时间控制在72 h 左右涂膜效果最佳。

3. 5 性能测试
3. 5. 1 槽液性能
槽液性能测试结果见表8。

3. 5. 2 漆膜性能
涂膜性能测试结果见表9。

4 结论
采用共混改性的方法用PVB 对丙烯酸树脂进行改性,制备了阴极电泳涂料。当搅拌速度与引发剂的滴加速度分别为120 ~ 240 r/min 和1 ~ 1.5 d/s,反应温度为75 ~ 85 °C,引发剂用量占单体用量的6% ~ 8%时,所得的乳液性能较佳。在150 ~ 160 °C 的固化温度下,所得涂膜外观平整,附着力0 级,冲击强度50 kg·cm,柔韧性1 mm,光泽(60°)70°,耐盐雾时间超过1 000 h。实验证明,该改性的阴极电泳涂料与其它的浸涂、喷涂水性烘烤漆相比,具有较大的优势。

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