催化剂对环氧丙烯酸水性烤漆性能的影响

催化剂对环氧丙烯酸水性烤漆性能的影响

□ 李志祯1,叶剑均2,胡玲霞1,金祝年1
(1.金华职业技术学院,浙江金华 321000; 2.浙江环球制漆集团,浙江金华 321000)

0 前 言
世界涂料正朝着水性化、粉末化、无溶剂化、高固体化和辐射固化等低污染、无公害的方向发展。目前这些低污染、无公害涂料占全部涂料的70%以上。水性涂料是未来涂料的主力军,目前占世界涂料总量的30%以上[1-2]。可作水性涂料基料的树脂包括醇酸、环氧、丙烯酸、聚氨酯和聚酯树脂等。其中丙烯酸改性环氧树脂既具有环氧树脂的高模量、高强度、耐化学品性和防腐性好的优点,又兼有丙烯酸树脂的光泽、丰满度、耐候性好等特点,以其为基料制备的涂料具备优良的使用性能,特别适用于水性涂料[3-5] 。环氧丙烯酸水性涂料在短时间内要得到一个有一定交联密度的涂膜,单靠树脂体系本身的酸值是不够的,各类酸催化剂则成为其有效催化剂。在涂料中使用的酸催化剂不多,主要有:磷酸、磷酸衍生物及磺酸(二壬基萘二磺酸、十二烷基苯磺酸、对甲基苯磺酸)。本文将讨论不同种类及用量的催化剂在环氧丙烯酸水性烤漆中的应用。

1 试验部分
1.1 试验原料
75%环氧丙烯酸水性树脂(HD314)、98%甲醚化氨基树脂(303-98)、1#催化剂(浙江环球制漆集团,对甲苯酸类催化剂)、2#催化剂(十二烷基苯磺酸类催化剂)、HK1010催化剂(萘磺酸类催化剂)、流平剂(EFKA-3034)、消泡剂(BYK-019)、醇醚、水。
1.2 试验仪器设备
电子天平(A2003)、架盘药物天平(上海医用激光仪器厂)、高速分散机(TSF-400搅拌砂磨分散多用机)、烘箱(杭州蓝天化验仪器厂)、马口铁片、喷枪(W-71)、烧杯、贮漆罐、调刀。RFZ-Ⅱ涂膜附着力试验仪(中国天津材料试验机厂)、涂膜冲击试验器、涂膜柔韧性测定器、测厚仪、光泽仪、中华牌铅笔。
1.3 试验流程
水性丙烯酸氨基烤漆的配方,如表1所示。试验配制涂料300 g,按配方换算出投料量,然后用增量法依次加入75%环氧丙烯酸水性树脂、98%甲醚化氨基树脂、催化剂(变量)、流平剂、消泡剂、醇醚、水至分散罐中混合,然后用高速分散机分散15 min左右,分散完毕后,静置消泡,密封贮存,待制涂膜进行性能测试。
表1 水性丙烯酸氨基烤漆的配方

1.4 涂膜性能测试方法
对水性烤漆各项涂膜性能的测试严格按照各项国家标准规定进行,其各项性能的检测方法与检测标准如表2所示。

2 结果与讨论
2.1 催化剂种类对水性烤漆性能的影响
分别以空白试验(不加催化剂)、1#催化剂、2#催化剂和HK1010催化剂,以1.0%(质量分数)的相同添加量按上述的制漆工艺制备水性丙烯酸氨基烤漆,制成涂膜进行性能测试。测试结果如表3所示。

从表3结果可以看出,这3种催化剂对涂料均有不同的催化作用。1#催化剂的催化剂效果最明显,2#催化剂的催化效果次之,HK1010催化剂的催化效果相对最弱。但同时可以看出使用1#催化剂的水性烤漆涂膜抗冲击性能也最差,其涂膜的耐水、耐酸、耐碱、耐盐雾等性能也较差,这说明虽然1#催化剂的催化剂效果最为明显,但对涂膜的副作用也最大,使用HK1010催化剂催化效果较弱,但对涂膜副作用也最小。同时可以看到催化剂的加入使得涂膜对底材的附着力都提高一个等级,也是因为当涂料在马口铁表面铺展时,布朗运动将带极性的环氧端基慢慢地向金属表面迁移,相似的极性作用使涂膜和底材之间产生了强大的范德华力,从而提高了涂膜的附着力。综合考虑HK1010催化剂对水性烤漆涂膜性能的改进更为理想。对不同催化剂制得的涂膜的硬度做进一步对
比,结果如图1所示。

通过图1可以发现不同的催化剂在相同的烘烤温度和时间的情况下涂膜硬 度依次为:1#催化剂>HK1010催化剂>2#催化剂;对3种催化剂的酸性强弱进行了测试,发现1#催化剂>HK1010催化剂>2#催化剂;结合表3结果还可以发现涂膜的耐水、耐酸碱、耐盐雾等性能,随催化剂酸性的增强而变好,这是因为涂料要得到有一定交联密度的涂膜,单靠树脂体系本身的酸值是不够的,要用一定的质子给予体进行催化,因而催化剂的酸性不同,催化效果不同,酸性强催化效率高,这与陈余燕等[6]的研究结果一致。且磺酸在有机溶剂中溶解度较大,明显优于其他类型的质子给予体,而且对设备的腐蚀性较小,因此选用HK1010催化剂,其综合催化效果较好。催化剂用量对涂膜性能的影响也很大,下面进一步对催化剂用量对水性烤漆的性能的影响进行试验。

2.2 催化剂用量对水性烤漆性能的影响
使用HK1010催化剂考察催化剂用量对烤漆性能的影响。添加量选择0.2%、0.6%、1.0%、1.4%、1.8%、2.2%(质量分数),仍按上述制漆工艺制备涂料并制板,分别编号为1、2、3、4、5、6,通过涂膜的硬度和耐水试验来讨论。对上述6个样板进行硬度测试,得到催化剂用量—硬度曲线图,如图2所示。

通过图2催化剂用量—硬度曲线图可知,涂膜的硬度随着催化剂用量的增加而增大,且增大趋势较强,当催化剂量增加1.0%~1.5%(质量分数)时,涂膜硬度达到最大值,随着催化剂用量的进一步增加涂膜硬度开始下降。可见催化剂的用量不是越大越好。为此对上述6种样板做进一步耐水试验,观察催化剂的用量对涂膜性能的影响。结果如表4所示。
表4 不同催化剂用量对涂膜耐水性的影响

注:测试标准:GB/1733-93
从表4的试验结果可知,催化剂对环氧丙烯酸烤漆的耐水性具有良好的改进作用,且表现出同涂膜硬度相同的影响规律。在w(催化剂)为0.8%左右时,涂膜的耐水性最好,这是因为催化剂的加入增加了环氧丙烯酸树脂的交联成膜的速度以及交联密度,从而固化程度也增加[7],使得涂膜耐水性提高,但催化剂的用量较大时涂膜的耐水性就变得较差,且在喷涂时还存在起白雾的缺陷,从催化剂的化学结构很容易解释这个问题,因为催化剂是强质子给予体。催化剂用量较大时这些给予体在极性作用下就很容易与水或空气中的水蒸气相互结合,因而表现出较差的耐水性及起白雾的弊病。

3 结 论
(1)酸性催化剂在环氧丙烯酸水性烤漆的固化中的催化效率高,涂膜的耐水性、耐酸碱、柔韧性较好,硬度高。
(2)催化剂用量对涂膜性能的影响也很大,适宜催化剂用量可以得到的性能优良涂膜;而过量添加对涂膜性能起到反作用,且增加成本。试验选用的HK1010催化剂用量在0.8%(质量分数)左右时涂膜综合性能较好。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注