玻璃钢底材用PU双组分底面漆及罩光清漆的研制

0 前言
玻璃钢(也称玻璃纤维增强塑料,国际公认的缩写符号为GFRP 或FRP)是一种品种繁多、性能各异、用途广泛的复合材料。它具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、电绝缘性能好、传热慢、热绝缘性好、耐瞬时超高温性能好,以及容易着色,能透过电磁波等特性。且与传统的金属材料及非金属材料相比,玻璃钢材料及其制品,具有强度高、性能好、节约能源、产品设计自由度大,以及产品使用适应性广等特点。玻璃钢专用涂料是指专用于玻璃钢制品表面涂装的装饰功能性涂料,广泛应用于机车、汽车配件、建筑门窗、体育运动设施等。本文研制的PU 双组分底面漆具有与汽车涂料相同的附着力,优异的耐候性及耐化学性能和良好的施工性能。双组分罩光清漆光泽高,有优异的流平性能及漆膜丰满度,硬度高,耐候性好,漆膜综合性能优异。

1 实验部分
1.1 原材料
AB1550 丙烯酸树脂,国产;AO-551 丙烯酸树脂,国产;UK300 醛酮树脂,进口;A870 羟基丙烯酸树脂,进口;3390 固化剂,德国拜耳;1500 目滑石粉,国产;1500 目重钙,国产;有机膨润土SD-1,国产;BA-01-01 钛白粉,国产;902 钛白粉,进口;F5RK永固红,国产;T963 通用分散剂,进口;602 分散剂,进口;BYK-354 流平剂,进口;BYK-331 流平剂,进口;BYKetol-Special 流平剂,进口;5500 消泡剂,国产;T-12 催干剂,进口;甲苯,国产;二甲苯,国产;乙二醇乙醚,国产;醋酸溶纤剂,国产;醋酸丁酯,国产;100# 重芳烃,国产;环己酮,国产;高沸点溶剂,国产;乙二醇乙醚醋酸酯,国产;DBE,国产;120#白电油,国产。

1.1.1 树脂的选用
丙烯酸树脂具有耐紫外光、耐碱、不会氧化或脆化等优点。用于PU 底面漆及罩光清漆的丙烯酸树脂一般为室温固化型(AC),即在聚合物中引入与热固性树脂类似的官能团,如羟基与异氰酸树脂混合得到双组分室温固化型聚氨酯体系。实验中,底面漆选择AB1550 丙烯酸树脂和AO-551 丙烯酸树脂作为主体树脂,面漆中再搭配UK300 醛酮树脂以提高底与面、面与罩光清漆之间的层间附着力,而罩光清漆则选择高固体分的A870 羟基丙烯酸树脂作为成膜物。

1.1.2 底漆填料的选用
玻璃钢底材表面一般缝隙比较多,这就要求底漆具有良好的填充性能,在实验中我们选择滑石粉和重钙作为主要的填充料。它们价格低,性能稳定,既可降低底漆的成本,又起骨架作用,增加涂膜厚度,提高机械强度、耐磨性、悬浮性,防止涂料流挂,在漆膜中能吸收伸缩应力,免于发生裂缝和孔隙等病态。

1.1.3 助剂的选用
由于丙烯酸树脂对颜填料的润湿分散性不好,导致漆膜容易浮色发花,并且降低了涂料的贮存稳定性。本研究通过选择合适的助剂,如T963 通用分散剂、602 分散剂,解决了研磨色浆时的润湿分散问题。另外,为提高漆膜表面的流平性,在配制半成品光油和罩光清漆时,添加BYK-354 流平剂、BYK-331 流平剂、BYKetol-Special 流平剂。而加入5500 消泡剂是为了消除生产过程中产生的气泡,加入T-12 催干剂可提高漆膜的干燥速度和漆膜硬度。

1.2 底面漆的配制
1.2.1 填料浆的研磨
实验中,底漆填料浆按表1 配方配制,上砂磨机研磨到合适的细度,备用。
表1 填料浆参考配方

1.2.2 色浆的研磨
底面漆要根据客户的需要来做成各种颜色,色浆在整个体系中的比例不能随意变动,根据实验,色浆在整个体系中的比例占整个配方的25%~30% 比较合适,所以要求色粉要有足够的遮盖力和展色力。将各原材料按表2 参考配方中的比例投入缸中,充分搅拌均匀,上砂磨机,细度要求≤ 15 μm,备用。
表2 色浆参考配方

1.2.3 半成品光油的配制
光油由树脂、助剂、溶剂配制而成,只需充分搅拌均匀即可达到所需的细度,参考配方见表3。
表3 半成品光油参考配方

1.2.4 固化剂的配制
底面漆及罩光清漆都是由含羟基树脂与异氰酸酯固化剂交联反应,形成丙烯酸聚氨酯才能成膜,为了添加方便,固化剂需要用溶剂配制成一定的比例,见表4。
表4 固化剂的配制

1.2.5 稀释剂的配制
稀释剂不仅用作成膜聚合物的介质,溶解聚合物,调整粘度及流变性以适应涂装,而且对成膜质量有重要的影响,稀释剂的选择主要取决于溶剂的溶解能力、沸点、挥发性、粘度、表面张力、闪点、毒性和价格等。实验中,我们配制了不同的稀释剂以搭配底面漆和罩光清漆的使用,见表5。
表5 稀释剂的配制

1.2.6 底、面漆的参考配方
将以上各半成品按表6 配方投入制漆罐中,充分搅拌,最好用蝶形搅拌机,使其充分混合,调整粘度,检验、过滤。
表6 底面漆参考配方

1.3 底面漆的施工
施工前将底漆或面漆与固化剂按6∶1 混合,常温下用1# 稀释剂调整粘度至14~18 s(涂4# 杯),喷涂时喷枪距工件30~50 cm,漆膜可在24 h 内自干,也可低温(70~85℃)烘烤30 min。需要注意的是,漆与固化剂混合后必须在0~4 h 内用完,否则易结胶、失效。

1.4 罩光清漆的参考配方及施工
罩光清漆的参考配方见表7。

施工前将罩光清漆与固化剂按3∶1 混合,常温下用2# 稀释剂调整粘度至16~20 s(涂4# 杯),喷涂时喷枪距工件30~50 cm,漆膜可在24 h 内自干,也可低温(70~85℃)烘烤30 min。添加固化剂后必须在0~4 h 内用完,否则易结胶、失效。底面漆的性能检测结果见表8,罩光清漆的性能检测结果见表9。


1.5 底漆与面漆、罩光清漆间配套性能测试
干碰干配套性能测试:先将底材用120# 白电油清洗干净,按上述施工方法喷涂底漆,烘干;然后用600# 细砂纸打磨,喷涂面漆,烘干;用600# 细砂纸打磨,喷涂罩光清漆,烘干,测漆膜常规性能。湿碰湿配套性能测试:先将底材用120# 白电油清洗干净,按上述施工方法喷涂底漆,流平表干,然后再喷涂面漆,流平表干后喷涂罩光清漆,烘干,测漆膜常规性能。底漆与面漆、罩光清漆间配套性能测试结果见表10。

从表10 可以看出,底漆与面漆、罩光清漆间具有良好的配套性能。

2 结果与讨论
2.1 底漆填料的影响
实验对比了填料浆不同的加入量对漆膜性能的影响,结果见表11。

从表11 可以看出:当填料浆在底漆中的用量为25%时,漆膜的综合性能最佳,满足客户用于玻璃钢底材的要求。

2.2 固化剂的影响
固化剂用量对涂料的性能有重要影响,固化剂用量过高,—NCO 基团过剩较多,会与空气中的水蒸气反应生成脲,尽管在一定程度上增加了交联密度,提高了硬度和耐化学性,但会导致漆膜的脆性增加,耐冲击性和柔韧性下降,并影响漆膜的表面效果,增加气泡、针孔等弊病,使漆膜的防腐蚀性能降低。反之,固化剂用量过少,交联密度过低,漆膜的硬度和耐化学品性都会下降,耐溶剂和耐油性下降。为了确定固化剂的用量,我们可以根据以下公式进行计算:
N=NCO%/(OH%×2.47×Z%)
N——主剂/ 固化剂配比;
NCO%——固化剂NCO 百分含量;
OH%——100%固体树脂羟基含量;
Z%——交联密度。
在本配方中,固化剂的NCO%含量为19.5%,按上述公式计算可以得出底面漆N 为6.0 时,反应最完全,而罩光清漆N 为3.0 时,反应最完全。

2.3 稀释剂挥发速率的影响
混合溶剂(稀释剂)的挥发速率等于各溶剂组分的挥发速率之和。大多数混合溶剂由于其分子结构的不同,不能看作理想溶剂,因而溶剂在其混合物中的挥发速率不能等于其纯组分的挥发速率。
其计算公式如下:

Ci——组分i 在混合溶剂中的体积浓度;
ri——组分i 的活性系数;
Rio——纯组分i 的挥发速率。
R总和只表示混合溶剂的瞬间挥发速率,但实际溶剂中不同溶剂由于挥发到大气中的相对损失并不与原始的组分相同,因此当挥发进行时,留下的溶剂组成在变化。根据试验结果,以醋酸丁酯的挥发速率为1,稀释剂1#、2# 比较适合于南方夏天的气候,而冬季则配方中要提高挥发速率大的溶剂(如醋酸丁酯)的比例,降低或取消100# 重芳烃和高沸点溶剂等挥发速率小的溶剂在配方中的比例,以提高漆膜的表干速度。

3 结语
通过实验,调整配方以及生产施工工艺,制得的玻璃钢底材用PU 双组分底面漆漆膜具有良好的填充性能、机械性能和耐腐蚀性能,而罩光清漆漆膜具有良好的耐腐蚀性能、高光泽、高丰满度等性能。理化指标达到产品和涂装设计要求,是一种极有应用前景的涂料品种。该涂料应用于各种玻璃钢制品,具有明显的经济和社会效益。

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