聚丙二醇烷基醚在阴极电泳涂料中的应用研究

0 前 言
阴极电泳涂料是20世纪70年代中期发展起来并得到工业化应用的一种新型防腐水性涂料。由于其具有以水为溶剂、无火灾危险、环境友好性强、涂装可实现自动化程度高、涂层致密、防腐性能优异等特点,使其在世界范围内,特别是在汽车工业发达国家作为底涂层而得到广泛应用[1]。在阴极电泳涂料的生产和涂装应用过程中,过去通常需使用或添加一些醇醚类如乙二醇丁醚等溶剂,一方面有利于阴极电泳涂料产品的生产制造,另一方面用以提高电泳涂膜膜厚,改善涂膜流平外观,控制电泳涂料工作液稳定性等。但乙二醇丁醚类溶剂具有毒性,不宜再用。在这里,我们用聚丙二醇烷基醚替代阴极电泳涂料中的醇醚类溶剂,如乙二醇丁醚、丙二醇苯醚等电泳成膜助剂,一方面提高阴极电泳涂料产品的性能如库仑效率、泳透力、抗石击等性能,另一方面也可减少阴极电泳涂料中溶剂含量。本文主要探讨了聚丙二醇烷基醚在阴极电泳涂料应用过程中对阴极电泳涂料工作液性能和涂膜性能的影响。

1 试验部分
1.1 主要试验原料
环氧氨基树脂:自制;交联树脂1、交联树脂2:自制;聚丙二醇烷基醚:巴斯夫;消泡剂:气体化学;润湿剂:B Y K;乙二醇丁醚:D O W;丙二醇苯醚:上海锦山;乙二醇己醚:D O W;阴极电泳涂料灰浆:冰醋酸:工业品;去离子水:自制。

1.2 阴极电泳涂料乳液的制备
将已制好的环氧氨基树脂和交联树脂、聚丙二醇烷基醚、消泡剂、润湿剂等在反应釜中充分搅拌均匀,然后在一定搅拌速度下放入兑稀釜,预先已调整好酸水在釜内充分搅拌均匀,再将已计算后的去离子水保持一定的添加速度加入兑稀釜中乳化制备成乳液。将上述乳液在搅拌下加入一定量去离子水,然后缓慢升温至45 ℃(不超过50 ℃),升温过程中,逐步提高兑稀釜真空度至有馏出物缓慢蒸出,无明显有机溶剂馏出后关掉真空,取样送试验室检验合格后过滤包装。

1.3 阴极电泳涂料槽液的制备
将已制好的阴极电泳涂料灰浆与上述制备的乳液在搅拌下缓慢加入槽中(已添加好量的去离子水),补加剩余的去离子水,熟化搅拌24 h后方可制板。

1.4 主要试验方法
1.4.1 库仑效率
按HG/T2-3337规定进行。

1.4.2 泳透力(Ford盒)
仪器与试剂:电泳槽材质(P V C塑料35 c m×15 c m×30 c m)、2块样板(30 c m×10.5 c m)、2块塑料片(30 c m×1.2 c m×0.4 c m)、透明胶带(1 c m、2 c m)、电泳仪(电流纹波系数小于5%;直流电压在:0~400 V可调)、直尺、测厚仪。
试验方法:
F o r d盒制作:用1 c m的透明胶带贴在样板的长试验面的两边,把P V C塑料片夹入两样板之间,紧靠两边,成一盒形,上下有口,用2 c m宽的胶带固定。将F o r d盒放入电泳槽中,使F o r d盒24 c m长浸入电泳槽液中,并使盒底边距槽底5.5~6 c m,保持搅拌速度为700 r/m i n,接通电泳仪电源在标准条件下电泳,保证样板外面膜厚达到标准膜厚。电泳后取出F o r d盒,先用去离子水冲洗里外表面,然后拆开F o rd盒,继续用去离子水冲洗样板正反面,直至无明显浮漆,在室温下晾至无明显水珠后,按标准温度烘干。
评估泳透力的方法:测量样板内腔膜厚度,由上向下,找出样板内腔面膜厚为5 μ m位置,测量其至底边的高度H(cm),即为泳透力值。

1.4.3 敞口搅拌稳定性
按产品技术要求配制3 L槽液,熟化、测量槽液工艺参数、泳板、测量涂膜厚度及力学性能。将槽液敞口连续搅拌,转速(240±10)r/m i n,其蒸发量每天用蒸馏水补充,保持槽液固体分的质量分数变化不超过1%。每周测一次工作液的工艺参数,泳板并测量涂膜厚度及力学性能。试验连续进行6周,若槽液的各项性能、涂膜外观、厚度及力学性能无明显变化,则认为该电泳涂料的敞口搅拌稳定性良好。

2 结果与讨论
2.1 聚丙二醇烷基醚的特性
聚丙二醇烷基醚是一种增塑型的成膜添加剂,它在阴极电泳涂料中主要是促进电泳涂料成膜聚合物粒子的塑性流动和弹性变形[2],再加上它的非V O C、低黏度(23 ℃,60 m P a·s)及与环氧氨基树脂非常好的混溶性等特性,使它在阴极电泳涂料中能有效地提高涂膜膜厚,同时增强涂膜的附着力、抗石击、冲击等性能。

2.2 聚丙二醇烷基醚对阴极电泳涂料成膜性能的影响
阴极电泳涂料工作液试验过程中,在电泳电压、槽温、极比、极间距、电泳时间等工作条件不变情况下,我们试验了聚丙二醇烷基醚不同的用量,其对电泳涂料成膜性能影响如图1。

由图1我们可看出随着聚丙二醇烷基醚的添加量增大,电泳涂膜膜厚增加,这是因为聚丙二醇烷基醚是一种增塑型功能助剂,在电泳过程中,它削弱成膜聚合物分子间的范德华力,从而增加成膜聚合物分子的移动性[3]。因此,随着聚丙二醇烷基醚的用量增加,电泳涂膜增加很明显。
2.3 聚丙二醇烷基醚对产品库仑效率性能的影响
由于聚丙二醇烷基醚能增加成膜物质的移动性,因此,它对产品的库仑效率电性能的影响是显而易见的。图2就是不同用量的聚丙二醇烷基醚对电泳产品库仑效率的影响。

由图2可看出,随着聚丙二醇烷基醚的添加量增大,成膜物质微粒的移动性增强,产品的库仑效率也随之增大。我们选择添加量为1.5%~1.8%,这时产品的库仑效率性能达到要求。

2.4 聚丙二醇烷基醚对阴极电泳涂料产品的泳透力的影响
泳透力是指电泳涂料工作液在电场作用下,被涂物背离阴极部位涂上涂料的能力,即在被涂工件的焊缝、内腔等部位涂上涂料的能力。泳透力的高低是一种阴极电泳涂料好坏的一个重要标志。各公司新一代的阴极电泳涂料泳透率都有较大幅度的提高[4]。图3显示聚丙二醇烷基醚对阴极电泳涂料产品的泳透力的影响。

图3 不同聚丙二醇烷基醚用量对产品泳透力的影响
由图3可知,当聚丙二醇烷基醚加入量小于1.8%时,阴极电泳涂料产品的泳透力变化不明显,而当加入量大于1.8%时,电泳涂料产品泳透力急剧下降。因此,我们在聚丙二醇烷基醚应用过程中用量一般保持1.5%~1.8%,以保证阴极电泳涂料产品的高泳透力。

2.5 聚丙二醇烷基醚对阴极电泳涂料涂膜性能的影响
由于聚丙二醇烷基醚的低黏度及增塑效应,它在阴极电泳涂料中还起到增韧效果,使电泳涂膜的抗石击、冲击、附着力、杯突等性能明显改善,当然也会使涂膜硬度有所降低,但本阴极电泳涂料产品是采用两种封闭异氰酸酯作交联树脂的,选择调节刚性与柔性交联树脂合适的比例,可以使阴极电泳涂料涂膜硬度达到要求。表1就是添加聚丙二醇烷基醚对阴极电泳涂膜性能的影响。

注:a:不添加聚丙二醇烷基醚的阴极电泳涂料产品;b:添加1.5%~1.8%聚丙二醇烷基醚的阴极电泳涂料产品。
由表1试验结果可以看出,添加聚丙二醇烷基醚的阴极电泳涂料产品的杯突及冲击性能明显得到加强,硬度等其他性能一致。

2.6 聚丙二醇烷基醚对涂料的影响
将聚丙二醇烷基醚不同用量的试验产品放在(45±2)℃恒温干燥箱中,作贮存稳定性试验,然后检查乳液状态,同时按标准制板,检查涂膜外观。将上述系列试验工作液作敞口搅拌稳定性试验,结果见
表2。

从表2可以看出,当聚丙二醇烷基醚用量超过1.8%时,电泳涂料的贮存稳定性开始变差,而且敞口搅拌试验L板水平面颗粒、粗糙等。所以为了保持涂料的贮存稳定性和产品工作液的敞口搅拌稳定性能,选择聚丙二醇烷基醚的添加量为1.5%~1.8%。

3 结 语
在阴极电泳涂料中,选择聚丙二醇烷基醚可以满足特殊替代醇醚类成膜助剂,可非常明显提高涂料的成膜能力,满足特殊客户要求(电泳涂膜达到30 μ m以上);同时试验选择了合适的添加量,使阴极电泳涂料既有较好的库仑效率及泳透力性能,同时又具有优良的涂膜性能,特别是柔韧性及抗石击等性能。由于使用聚丙二醇烷基醚替代部分高沸点醇醚类助剂,降低了阴极电泳涂料的溶剂含量,减少了对环境的污染。

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