包覆型铝粉颜料在水性涂料中的应用

包覆型铝粉颜料在水性涂料中的应用

陈军,皮丕辉,蔡智奇,文秀芳,程江*,杨卓如(华南理工大学化学与化工学院,广东 广州 510640)

1 前言
金属闪光漆以其特有的闪光效应深受市场青睐。金属闪光底漆之所以具有非凡的装饰效果[1],是因为该类涂料中加入了金属铝粉或珠光粉等效应颜料。这种效应颜料在涂膜中定向排列,对光照产生各种有规律的反射、透射或干涉作用,最后人们就会看到有金属光泽的、随角异色的闪光效果。随着技术的进步,经工艺技术改造后的铝颜料其金属光泽更加明亮[2-3],并在涂料工业、塑料工业和印刷油墨中得到广泛应用[4-5]。目前,市场上广泛使用的仍为溶剂型金属闪光涂料[6-7],其VOC 含量较高(在施工时甚至可达80%),对环境的污染和对施工人员的伤害都比较大。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,开发环保型并能达到与溶剂型同样装饰性和保护性的水性金属闪光涂料显得越来越迫切[8-10]。但是,水性铝粉和闪光颜料并不是简单地添加到涂料中即可,它们对涂料组成、添加剂及操作的要求都很高[11-12]。当铝颜料用于水性涂料时,会产生许多不利的影响,如分散稳定性等。更主要的是,水性涂料大多在碱性条件下配制,使铝颜料易被腐蚀,其后果不但会使铝颜料逐渐失去金属光泽,而且会产生大量的氢气,容易发生爆炸。解决铝颜料的耐碱性问题,实质是隔绝铝与水、氧气的接触。李利君等[13-14]通过溶胶–凝胶法合成了有机–无机杂化涂层包覆铝颜料,并探讨了其在碱溶液中的稳定性。
本文首先采用正硅酸乙酯(TEOS)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)为前驱物,通过溶胶–凝胶反应在铝颜料表面形成一层致密的包覆层,以提高铝粉的耐碱性。然后,采用含亲水基团的甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸(AA)通过自由基聚合反应对铝颜料进行第二层包覆,使得铝粉在水中更好地分散,不团聚。在烘烤型水性金属闪光涂料的配制过程中,探讨了铝粉和交联剂的用量、涂料的黏度、烘烤温度等各种因素对最终漆膜外观及性能的影响,从而得到最佳的配制条件及工艺。

2 实验
2. 1 原料与试剂
铝颜料原料(>99%,粒度约30 μm),天珑贸易有限公司;正硅酸乙酯(TEOS,SiO2 含量≥28.5%),汕头市光华化学厂;氨水(NH3 含量25% ~ 28%),广州市东方红化学厂;无水乙醇(≥99.5%),成都市联合化工试剂研究所;乙烯基三乙氧基硅烷(VTES,≥98.0%),科特精细化工有限公司;甲基丙烯酸甲酯(MMA,≥98%)和丙烯酸(AA,≥98%),凌峰化学试剂有限公司;偶氮二异丁腈(AIBN,≥99%)和 N–甲基–2–吡咯烷酮(NMP,≥99.8%),科密欧化学试剂有限公司;水性羟基丙烯酸树脂,广州三淼水性树脂科技开发有限公司;RESIMENE® 717 三聚氰胺树脂(水性氨基树脂),广州鸿墒贸易有限公司;助剂,日本东洋公司;蒸馏水,自制。
2. 2 包覆型铝粉颜料的合成
将2.0 g 铝颜料原料和50 mL 无水乙醇加入250 mL的四口烧瓶中,四口烧瓶上配有冷凝管、温度计和氮气进出口。混合液在室温下搅拌1 h,然后升温至40 °C。将一定量的氨水和水、一定量的TEOS 和VTES 分别用30 mL 乙醇稀释。这两种稀释液同时逐滴加入四口烧瓶中,滴加时间约为1 h。混合液继续搅拌6 h,然后将温度升至80 °C。一定量的MMA 和AA 用10 mL乙醇稀释后滴加进反应体系中,同时,一定量的引发剂AIBN(用NMP 溶解,然后用10 mL 乙醇稀释)也滴加进反应体系。滴加完毕,搅拌反应24 h。将混合液过滤,用乙醇和蒸馏水各洗涤3 次,所得滤饼在60 °C真空干燥5 h,即得TEOS/VTES/MMA/AA 包覆的铝颜料。
2. 3 水性铝粉涂料的制备
将包覆铝粉用适量蒸馏水和助剂分散,然后加入水性丙烯酸树脂和水性三聚氰胺树脂,搅拌分散均匀,再加入适量蒸馏水调节黏度。搅拌均匀后,即得水性铝粉闪光涂料。将上述涂料刷涂在玻璃底板上,在一定温度下烘烤1 h,即得水性金属闪光涂料漆膜。实验中水性铝粉涂料的配方如下:
水性丙烯酸树脂 10% ~ 60%
水性氨基树脂 5% ~ 20%
铝粉 1.5% ~ 7.5%
助剂 适量
蒸馏水 10% ~ 20%
2. 4 涂膜性能测试
2. 4. 1 涂膜耐酸碱性
将配好的水性铝粉涂料稀释至适当黏度,用漆刷在马口铁板上快速均匀地沿纵横方向涂刷,使其形成一层均匀的漆膜,然后干燥。在玻璃水槽中加入0.1 mol/L的H2SO4 溶液(或0.1 mol/L 的NaOH 溶液),调节水温为25 °C,并在整个试验过程中保持该温度。将试板放入其中,并使试板长度的2/3 浸泡于溶液中。48 h 后,将试板取出,观察漆膜是否有失光、变色、起泡、起皱、脱落等现象。
2. 4. 2 其他测试
其他测试项目和方法见表1。
表1 涂膜性能测试项目及其所依据的标准、方法

3 结果与讨论
3. 1 铝粉用量对漆膜外观和性能的影响
在涂料中,颜基比必须适当,既要能够遮盖底材,又不能互相堆积,这样才能有良好的外观和性能。在闪光铝粉涂料的配制中,铝粉的用量还关系到涂膜的光泽度及闪光指数。实验中,保持交联剂用量(相对树脂的量)为20%,涂料黏度为12 s ,烘烤温度为140 °C,考察了不同铝粉含量(即颜基比)对涂膜外观及性能的影响,结果如表2 所示。
表2 铝粉用量对漆膜外观及性能的影响

从表2 可以看出,当铝粉用量为3.0%时,漆膜外观比较平整,光泽度较高,硬度较大;当铝粉用量低于3.0%时,漆膜易出现露底,光泽度低及硬度较低;而当铝粉用量高于3.0%时,易出现漆膜表面不平整,光泽度较低等现象。这主要是因为当铝粉用量较低时,不能完全遮盖底材,达不到装饰的目的。此外,涂膜中由于铝粉含量较低,光泽度也相应较低。当铝粉用量较高时,由于涂层厚度一定,过多的铝粉容易堆积在一起,造成涂膜表面不平整,硬度降低。此外,平整度下降必将导致涂膜的光泽度降低。因此,本实验中,铝粉用量以3.0%为佳。
3. 2 交联剂用量对漆膜外观和性能的影响
以水性氨基树脂作为交联剂,与水性树脂中的羟基发生交联反应,使漆膜固化。交联剂的用量决定着漆膜固化程度,也就是决定着漆膜的最终性能。用量太少,交联程度低、漆膜软、硬度差,各项性能都差;用量过高,交联程度很高,漆膜硬度好,但是漆膜易脆,柔韧性差,附着力不好[15]。因此,必须选择最佳的交联剂用量,使漆膜具有最平衡的性能。实验中,保持铝粉用量(即颜基比)为3.0%、涂料黏度为12 s、烘烤温度为140 °C,考察了不同交联剂用量(相对于树脂的用量)对漆膜性能的影响,结果见表3。
表3 交联剂用量对漆膜外观及性能的影响

由表3 可知,当交联剂用量为树脂量的30%时,漆膜的综合性能最佳。
3. 3 涂料黏度对漆膜外观和性能的影响
黏度对涂膜的抗流挂性能、厚度及外观等均有重要影响。一般而言,水性涂料在喷涂施工时具有一些本身固有的缺陷,如涂膜外观质量不易控制等。这是由于水的挥发潜热大,挥发速度慢。喷涂黏度低时,外观较平整,但易引起流挂;喷涂黏度高时,流挂问题得以解决,但漆膜外观较粗糙。对于水性金属闪光底色漆,施工过程中除有上述漆膜弊病外,还会由于喷涂黏度的高低而影响金属铝粉的取向。因此,水性金属闪光底色漆的漆膜外观质量与黏度有着密切的关系。实验中,保持铝粉用量(即颜基比)为3.0%、交联剂用量为30%、烘烤温度140 °C,考察了涂料黏度对漆膜外观及性能的影响,结果见表4。
表4 涂料黏度对漆膜外观及性能的影响

从表4 可以看出,当涂料的黏度为13 s 左右时,漆膜比较平整,光泽度较高,硬度也较大;当黏度大于13 s 时,黏度的增大,引起漆膜表面的不平整以及光泽度和硬度的降低。这主要是因为黏度增大时,铝粉在涂料中平行取向比较困难,铝粉取向的杂乱无章会导致漆膜表面不平整,并引起光泽度和硬度的降低。而当黏度小于13 s 时,漆膜出现露底、光泽度和硬度下降的问题。这主要是因为黏度降低时,涂料中铝粉含量也相应降低,因此会导致漆膜露底现象,并引起漆膜光泽度和硬度的下降。因此,选择涂料的黏度为13 s 左右比较合适。
3. 4 烘烤温度对漆膜外观和性能的影响
烘烤温度的高低对涂料中树脂的固化程度和涂膜硬度以及铝颜料的取向都有很大关系。实验中,保持铝粉用量(即颜基比)为3.0%、交联剂用量为30%、涂料黏度为13 s,考察了不同烘烤温度对涂膜性能的影响,结果见表5。
表5 烘烤温度对漆膜外观及性能的影响

从表5 可以看出,当烘烤温度为150 ~ 160 °C 时,涂膜的各项性能比较好。铝颜料在涂料中随机排列,涂料在烘烤过程中,溶剂逐渐挥发出来。溶剂的挥发导致漆膜体积的收缩,这种收缩有助于铝粉在漆膜中的定向排列。烘烤温度的高低对溶剂挥发速度有重要影响。温度越高,溶剂挥发越快,因而漆膜的体积收缩也越快,从而使铝粉很快定向排列,并固定在漆膜中。因此,较高的烘烤温度有利于提高漆膜的硬度和光泽度。此外,涂料中树脂的交联固化也与温度有关。当固化温度较低时,树脂固化速度较慢,固化程度也较低,导致漆膜的硬度及其他性能的降低。考虑到能耗因素,最终选择烘烤温度为150 °C。
3. 5 水性铝粉闪光涂膜的综合性能
将实验中制备的包覆型铝颜料(即颜基比)3.0%与30%(相对树脂的用量)的交联剂与水性氨基树脂混合,在涂料黏度为13 s、烘烤温度150 °C 等条件下制成水性铝粉闪光涂膜,测试其综合性能,结果见表6。
表6 含包覆型铝颜料涂膜的综合性能

从表6 可以看出,用包覆型铝颜料制备的水性闪光涂料涂膜的综合性能优良。铝粉通过溶胶/凝胶反应在铝颜料表面形成了一层致密的包覆层后,在0.1 mol/L的H2SO4 溶液(或0.1 mol/L 的NaOH 溶液)中浸泡48 h后,不起泡、不起皱,铝粉的耐酸碱性大大提高,其光泽度(60°)超过70°。众所周知,闪光涂料最重要的性能指标在于光泽度,高的光泽度将赋予产品更强的竞争力。本文研究为铝颜料水性闪光涂料的工业生产奠定了基础。

4 结论
以正硅酸乙酯(TEOS)和乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)为前驱物,通过溶胶–凝胶反应在铝颜料表面形成包覆层,再通过甲基丙烯酸甲酯(MMA)和丙烯酸(AA)的自由基聚合反应对铝颜料进行第二层包覆,使包覆铝粉能在水中很好地分散。将此包覆铝粉与水性丙烯酸树脂和水性三聚氰胺树脂混合,制备了水性铝粉闪光涂料。研究结果表明,涂料黏度、颜料及交联剂用量以及烘烤温度等因素对水性金属闪光涂料漆膜的外观和性能有重要的影响,较佳的涂料配方和工艺条件是:铝粉用量3%,交联剂用量为树脂量的30%,涂料黏度13 s,烘烤温度150 °C。以此工艺制备的金属闪光漆膜综合性能优良,具有较好的耐酸碱性,光泽度达到73.4°。本研究为将来铝颜料的水性化工业生产奠定了一定的基础。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注