单组分水性金属闪光漆的研制

0 引言
金属闪光漆色彩丰富、立体感强,独特的随角异色效应尤显高贵气派,因此,在一般高装饰性工业涂料中,金属闪光漆占据着较高的地位。不论是汽车、摩托车等交通工具还是其他工业产品,都广泛使用金属闪光漆。目前,市场上使用较多的仍是溶剂型金属闪光漆,其VOC(挥发性有机化合物)含量较高,尤其是施工时甚至高达80%,对环境的污染和施工人员的危害都较大。随着人们环保意识的不断增强,以及国家环保法规的日益严格,传统的溶剂型金属闪光漆显然不符合环保要求。因此将金属闪光漆水性化,是最有效、最理想的方法。

1 实验部分
1.1 原材料
丙烯酸乳液,水性铝粉,分散剂,消泡剂,增稠剂,二甲基乙醇胺(DMAE),乙二醇单丁醚,水性膨润土,去离子水。
1.2 涂料配方
涂料配方见表1。
表1 水性金属闪光漆配方

1.3 水性金属闪光漆配制工艺
将水性铝粉加到乙二醇单丁醚与分散剂的混合溶液中,低速搅拌均匀,放置过夜备用;将丙烯酸乳液加到经高速分散均匀的水性膨润土中,用二甲基乙醇胺中和至pH 值8~9,再依次加入消泡剂、去离子水以及预先分散好的水性铝粉,混合均匀后用增稠剂调节黏度合格即可。
1.4 水性金属闪光漆施工工艺
将上述漆液用去离子水调节至施工黏度,采用空气喷涂。喷涂时,不宜一次喷涂太厚,每喷涂一道,闪干2~3 min,再喷涂下一道。完成喷涂后,在恒温室放置10~15 min 后,于(50±2)℃条件下闪蒸10 min,再在80℃下烘干30 min,即可制得水性金属闪光漆膜。
1.5 性能指标
研制的水性金属闪光漆的性能指标见表2。

2 结果与讨论
2.1 水性铝粉分散介质及分散剂的选择
由于水和铝接触会发生反应而产生氢气,因此用于水性体系的铝粉都要经过表面处理或包覆。目前市场上有很多用不同方法处理的水性体系用铝粉,一般来说,以二氧化硅包覆的水性铝粉(如爱卡公司的Stapa Hydrolan 系列)和以铬酸钝化处理的水性铝粉(如爱卡公司的Stapa Hydrlux 系列)有较长期的水中稳定性。一般水性铝粉经过特殊的表面处理,与水发生反应的几率较小,但是在配制水性金属闪光漆时,由于漆液的成分比较复杂,处理不当将会使体系的稳定性、漆膜外观和闪光效果受到较大影响。而这就必须对铝粉进行良好的分散,使其稳定地分散在漆液中。通过试验,对不同分散介质作了对比,确定了较理想的用于制备铝粉浆的分散介质。实验结果见表3。
表3 分散介质的选择

由表3 可见:用乙二醇丁醚作铝粉的分散介质,可获得较为理想的效果。但如果单独采用乙二醇丁醚制备铝粉浆,贮存时易产生聚集体颗粒,影响最终漆膜中铝粉的定向排列和漆膜外观,所以在制备铝粉浆时需用润湿分散剂进行分散。用二氧化硅包覆的铝粉,如Stapa Hydrolan 系列,可用DISPERBYK-180 分散;用铬酸钝化处理的铝粉,如Stapa Hydrlux 系列,可用DISPERBYK-192 分散。分散剂用量对铝粉浆黏度及漆膜闪光指数的影响见表4。
表4 分散剂用量的影响

由表4 可见:随着分散剂用量的增加,铝粉浆黏度有所降低,但漆膜闪光指数无明显变化(铝粉无聚集颗粒、定向好,漆膜闪光指数FI 高),所以在该实验中确定分散剂用量为铝粉量的3%。
2.2 成膜树脂的选择
根据水性树脂的外观和粒径,可将其分为:水溶性树脂:粒径< 0.001 μm,外观透明,但因其相对分子质量一般较小,亲水官能团较多,形成漆膜的性能较差,无法满足应用要求;水分散体:粒径0.001~0.1 μm,外观半透明。优点:低相对分子质量,高光,流平性好;缺点:需要助溶剂(最高15%),价格较高;乳液:粒径> 0.1 μm,外观白浊。优点:快干,不需要助溶剂,价格便宜;缺点:流平性差,光泽低。
本实验选择丙烯酸乳液作为成膜体系。聚合物乳液的玻璃化温度Tg 不同,其制备的漆膜性能也有所差异,而且对乳液的最低成膜温度(MFT)有直接影响。一般聚合物玻璃化温度越高,其最低成膜温度也越高。对于常温干燥型涂料,低玻璃化温度有利于成膜,低玻璃化温度聚合物膜的表面硬度低,弹性较好,但耐沾污性较差。对于用于流水线的烘干型水性涂料,当聚合物的玻璃化温度较低时,在干燥过程中易起泡;较高玻璃化温度的乳液的耐擦洗性和耐沾污性能比低玻璃化温度的乳液要好,但成膜时需要加入较多的成膜助剂。选择两种不同玻璃化温度的丙烯酸乳液进行实验,性能检测结果见表5。
表5 不同玻璃化温度的成膜物的影响

根据表5 的结果,选择玻璃化温度为40℃的丙烯酸乳液作为体系的成膜树脂。
2.3 成膜助剂的选择
成膜助剂是用来降低乳液最低成膜温度的助剂。较高玻璃化温度的聚合物乳液是较硬脆的聚合物,当温度低于其最低成膜温度时,水分挥发后,乳胶粒子仍然为分散的颗粒,不能聚结形成连续的膜,而是呈不连续膜,此时则需加入合适的成膜助剂,以降低乳液的最低成膜温度及玻璃化温度,促进乳胶粒子溶胀变形而聚结成膜,但在成膜以后的较短时间内成膜助剂又能挥发掉,使干膜恢复原来的玻璃化温度。成膜助剂一般是小分子的有机化合物或低相对分子质量的高分子化合物,通常为醇类、二元醇类、醚醇类或醚醇酯类溶剂,但都应有较高的沸点。理想的成膜助剂应符合下列要求:为聚合物的强溶剂,因而能降低聚合物的玻璃化温度,并具有较好的相容性,否则会影响漆膜的外观及其光泽;在水中的溶解度较小,易被乳胶粒子吸附而有优异的聚结性能;应具有优良的挥发速度,在成膜前保留在聚合物之中,成膜后能完全挥发掉。在本实验中,乙二醇单丁醚既作为分散介质,也用作成膜助剂,其沸点是171℃,相对挥发速率(醋酸丁酯=100)是7.9。
2.4 中和剂的选择
在水性丙烯酸树脂中,碱金属盐、胺和氨等都可以用作树脂的中和剂,但在实际应用中,常采用胺或氨为中和剂,很少用碱金属盐。因为碱金属盐作中和剂,树脂成膜后,金属离子留在漆膜中会影响其性能。而胺和氨在成膜过程中会挥发掉,对漆膜无不良影响。但在水性金属闪光漆中则不宜使用碱性太强的中和剂,需避免使用易与铝发生反应的氨水、AMP(2- 氨基-2- 甲基-1- 丙醇)等,比较适宜的中和剂为DMAE( 二甲基乙醇胺)或TEA( 三乙醇胺)等胺类,体系pH 值不应高于9。本实验选用DMAE 作中和剂。
2.5 水性铝粉的定向与防沉
在金属闪光漆中,铝粉平行于底材的定向排列对其外观质量十分重要。在溶剂型金属闪光漆中,铝粉的定向排列主要是靠施工过程中有机溶剂(如醋酸丁酯)的迅速挥发,漆膜体积迅速收缩以及流变控制组分,如蜡分散体的作用而达到。但在水性体系中,由于水的蒸发潜热大,挥发很慢,到达工件表面时湿涂膜中水的含量仍较高,铝粉很容易活动而使定向变差,因此水性金属漆中铝粉的定向控制是其技术关键。虽然可以采用吹热风等措施进行强制干燥,加快水的蒸发,但如果没有其他措施,铝粉仍不能得到很好的定向。查阅相关资料可知,水性金属闪光漆的定向机理,可以靠树脂结构变化和特定的流变助剂形成触变性流体,当喷涂时,受到高剪切力的作用,黏度迅速降低,有利于良好的雾化;漆雾到达工件上以后,剪切力消失,湿膜黏度恢复,迫使铝片不易移动而有序定向排列。所以通过选择合适的流变助剂来确保铝粉的定向与防沉。
2.6 增稠剂的选择
目前水性涂料中常用的增稠剂有纤维素醚及其衍生物类增稠剂、缔合型碱溶胀增稠剂和缔合型聚氨酯增稠剂。在本实验中,由于助溶剂用量较大,缔合型聚氨酯增稠剂等增稠效果不理想,用量较大时漆液黏度有所增加,呈牛顿流体,不利于铝粉定向。根据实验筛选,水性膨润土与碱溶胀型丙烯酸酯增稠剂配用效果最佳,水性膨润土能对铝粉起防沉作用,并有助于铝粉定向;碱溶胀型丙烯酸酯增稠剂增稠效果显著,并赋予涂料较强的触变性。增稠剂用量的影响见表6。
表6 增稠剂用量的影响

由表6 可见:增稠剂用量较少时,贮存稳定性较差,其用量为配方总量的1.0% 时,效果最好。
2.7 消泡剂的选择
水性涂料比溶剂型涂料容易起泡,因此水性金属闪光漆中一般要加消泡剂。水性涂料用消泡剂的选择比较复杂,除了要求其具有消泡作用外,同时还不能产生缩孔、针孔等漆膜弊病。本实验分别选择一种矿物油类消泡剂和一种有机硅类消泡剂进行试验,结果见表7。
表7 不同消泡剂的影响

注:加量均为配方总量的0.2%。
由表7 可见:选择有机硅类消泡剂,易加入,而且漆膜外观平整,加入量为配方总量的0.2%。

3 环境、设备要求
3.1 环境温度与湿度的影响
水的蒸发速率与相对湿度密切相关,相对湿度高时,水的蒸发速率很低。因此,喷漆室的相对湿度和温度必须控制在一定范围内,以确保喷漆雾化过程中适量的水挥发,并且使水和有机溶剂在漆膜中保持适当平衡。适当的平衡很重要,可使涂料有合适的表面张力以润湿喷涂表面。环境温度对水性金属闪光漆漆膜外观的影响见表8。
表8 环境温度对漆膜外观的影响

由表8 可见:环境温度对漆膜外观有较大影响。所以在生产和使用水性金属闪光漆时,要严格控制环境温度与湿度。
3.2 调漆设备
调漆罐必须用不锈钢材质,内表面要尽可能光洁,容器尺寸要尽可能小。尽量减少容器中的空气交换来保持漆面上空气的湿度,避免涂料可能在器壁和搅拌器轴上干结,调漆罐必须保持密封。
3.3 喷涂设备
水性金属闪光漆的喷涂设备、雾化方面的基本情况(如漆液的分散、沉积、喷涂效率等)与溶剂型金属闪光漆大致相同。但水性金属闪光漆对喷涂量和漆雾变化更加敏感,如有不当,容易导致漆膜发花和针孔,因此必需加强其喷涂工艺控制。
3.4 运输贮存
水性金属闪光漆对温度很敏感,如果贮存在低于冰点的温度时,会改变涂料的溶解特性,由此导致涂料中活性物质沉淀。经过重新加热后,水性金属闪光漆不会恢复到均质状态,它的特性也遭到破坏。因此,水性金属闪光漆运输和贮存时有较高要求,温度应控制在5~30℃,在冬季和夏季运输过程中如有加热或冷却装置效果尤佳。

4 结语
选用丙烯酸乳液为主体成膜树脂,加入水性铝粉、水性膨润土、增稠剂、消泡剂及去离子水,配制成单组分水性金属闪光漆。该涂料产品价格适中,易于施工,且烘干温度低,在用户涂装线多次试涂均获得满意效果。

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