水性汽车金属闪光底色漆的制备及性能

水性汽车金属闪光底色漆的制备及性能

王淑娟1,汤汉良2,罗晖2
(1.西安交通大学理学院应用化学系,西安710049;2.广州浩宇化工科技有限公司,广州510540)

0 引言
金属闪光底色漆是随观察角度的变化呈现出不同明亮度和色彩的面漆,它赋予漆膜遮盖力、色彩和闪光效果。传统的溶剂型金属闪光漆中含有80%左右的VOC,是汽车涂装工业VOC 排放的最主要来源[1],如果将其水性化,可使汽车涂装VOC 排放量大大降低。目前,水性金属闪光漆在欧洲、北美等国家被广泛使用[2]。效应颜料的定向排列是决定水性金属闪光漆性能的主要因素,然而,无论是溶剂型金属闪光底色漆还是水性金属闪光底色漆,都存在金属粒子容易聚结沉降的问题,影响金属闪光漆的漆膜外观和性能[3]。本文主要研究水性金属闪光底色漆在制备过程中基体树脂、铝粉、助剂、成膜助剂及施工工艺的选择,为水性金属闪光底色漆的制备提供指导。

1 试验部分
1.1 试验原料
丙烯酸乳液:自制;水性润湿分散剂、水性消泡剂:德国毕克公司;铝粉:日本东洋公司;乙二醇丁醚、N,N-二甲基乙醇胺:分析纯;去离子水:自制。
1.2 水性金属闪光底色漆的制备
1.2.1 试验配方
水性金属闪光底色漆的配方见表1。


1.2.2 水性金属闪光底色漆的制备工艺
首先,以一定比例将溶剂(如水、乙二醇丁醚、二丙二醇丁醚或异丙醇等) 缓慢加入到一定量的水性铝粉中,在低剪切速率下搅拌均匀,加入水性润湿分散剂,静置24 h,使其充分混合均匀,备用。其次,将水性消泡剂加入水性丙烯酸树脂,在低剪切速率下混合30min,加入10%DMEA,调节pH 约为7.5,即制得树脂液。然后,将制得的水性铝粉浆与去离子水混合均匀后,在较低的剪切速度下加入到已制好的树脂液中,低速搅拌下分散5 ~ 10 min,使漆液充分混合均匀。最后,加水调整漆液黏度(涂-4# 杯)为30 ~ 40 s,缓慢搅拌、过滤,水性金属闪光底色漆配制完成,待喷。无论是水性铝粉浆还是水性金属闪光漆的配制,均应在低剪切速率下进行,同时,为了使铝粉颜料产生金属闪光效应,其必须分散均匀。制备水性金属闪光底色漆的具体工艺流程见图1。

1.2.3 水性金属闪光底色漆的涂装工艺
试验采用预涂中涂漆的马口铁板,以不低于800目砂纸对马口铁板进行水磨,水磨后使用清水冲洗中涂表面,待中涂表面彻底干燥后即可喷涂水性金属闪光底色漆。采用去离子水调整漆料黏度为25~35 s,调整喷枪的空气压力为200 ~ 300 kPa,喷枪距离待喷涂底材为25 cm(可根据快干慢干要求微调10 ~ 15 cm)。采用“薄喷多道”的方式,喷涂2 ~ 3 道银粉漆,每遍间隔5 min(视环境状况,以漆膜表干为准)。喷涂室内较适宜的施工温度为15 ~ 30 ℃,相对湿度为30% ~ 70%。喷涂结束后于烘箱内在60 ℃下烘烤5 ~ 10 min,最后喷涂水性罩光清漆。
1.3 水性金属闪光底色漆性能指标
水性金属闪光底色漆涂膜性能指标见表2。

2 结果与讨论
2.1 成膜树脂的选择
随角异色金属闪光漆对成膜树脂的要求为颜色浅、酸值低、极性小、透明度高,不与铝粉发生化学反应,成膜后具有优异的物理机械性能和耐候性[4]。常用的树脂种类有羟基丙烯酸树脂、氨基树脂、聚酯树脂、醇酸树脂和丙烯酸树脂水分散体等[5]。由水性丙烯酸树脂配制的水性金属闪光底色漆因漆膜外观平滑、具有良好的润湿性、流平性,体积收缩率大,有利于铝粉的定向排列。本试验采用的2 种丙烯酸树脂(HYW01和HY-W02)均为核壳结构的丙烯酸类乳液,壳内部的核芯部分拥有大部分树脂特性,外层为胺中和层,加入胺中和剂后,使壳层溶胀,其聚合物链“重叠”并缠住,使体系黏度增大,而在剪切力作用下,体系黏度又下降,使体系呈现触变性[6],有效地防止了铝粉的沉降,有利于铝粉片的定向排列,使漆料具有良好的贮存稳定性。另外,由于2 种丙烯酸乳液成膜温度的显著差异,将两者配合使用后,可以在提高漆膜硬度的前提下有效地控制体系的VOC 含量。
2.2 铝粉的选择
金属闪光底色漆之所以具有特殊的闪光效果,是因为在涂料中加入了各种类型的金属铝片或珠光粉等效应颜料。当光线照过来后,这些效应颜料通过有规律的反射、透射或干涉,达到随角异色的闪光效果[7]。金属闪光漆的随角异色效应与铝粉本身的性能密切相关,铝粉颜料一般分为浮型和非浮型两大类,汽车金属闪光底色漆要达到随角异色的效果一般选用非浮型铝粉颜料。铝粉颜料主要是通过粒径和其在涂层中的定向排列影响漆膜性能的。一般而言,铝粉粒径越粗,漆膜随角异色效应越强;铝粉粒径越细,粒子结构越不规则,漆膜遮盖力越强,鲜映性越好。试验发现铝粉颜料的粒径在20 ~ 35 μm 时,可获得闪光效应较好的漆膜。铝粉的用量对涂料的性能也有影响,铝粉添加量不足,漆膜容易发黑,添加量太大,不仅铝粉粒子沉降严重,涂料不稳定,而且在施工过程中容易堵塞枪头。本试验中,铝粉颜料的用量为树脂的10% ~ 15%。为了充分发挥铝粉浆的性能,还需注意其加入基料中的方法,研究发现,将配制好的水性铝银浆静置24 h 后,以较低的剪切速率加入到基料中,漆膜闪光效果较好。
2.3 助剂和成膜助剂的选择
金属闪光漆常用的助剂有消泡剂、润湿剂和中和剂等。中和剂的种类会影响漆液稳定性、黏度、贮存稳定性和漆膜性能,在选择中和剂时要综合考虑[8]。阴离子型丙烯酸树脂常采用氨或胺为中和剂,因为氨或胺在成膜后会挥发,对漆膜没有不良影响。由于氨水具有较高的黄变指数和较大的挥发性,限制了其使用;三乙醇胺(TEA)挥发较快,对pH 的稳定不利。本文选用二甲基乙醇胺(DMEA)作为中和剂。在使用中和剂时,还应注意调节漆液的pH 在一定范围内,pH 的改变会影响漆液的稳定性和黏度。通过试验发现,体系pH 在7.5~8.5 之间时,漆液具有较好的稳定性和适宜的黏度。在水性金属闪光漆中,成膜助剂的种类和用量会影响漆膜的干燥时间和最终漆膜性能。过量的成膜助剂会使核与壳膨胀,核壳过度膨胀后会使涂料在短期贮存后就发生凝胶,而且成膜助剂使用量过多,会使体系的VOC 含量较高。为了避免这些问题,本试验选用乙二醇丁醚作为成膜助剂,其在配方中的用量低于10%。
2.4 施工工艺
水性涂料由于含有大量水分,其施工工艺与溶剂型涂料不同[9]。水性金属闪光底色漆对环境的要求较高,当温度较低或湿度较大时,均会影响水性金属闪光底色漆的使用。因此,水性金属闪光底色漆必须在恒温恒湿的条件下进行施工,一般施工温度为15 ~ 30 ℃,相对湿度为30% ~ 70%,而且水性金属闪光底色漆施工后,必须有一段闪干过程,使绝大部分水分挥发,一般是在60 ℃下烘烤5 ~ 10 min。金属闪光漆中铝粉片的取向和施工技术有很大的关系,正确掌握和控制施工工艺是控制水性金属闪光底色漆漆膜质量的关键。同一个涂料配方,由于喷枪的选择和使用、出气量、出漆量和走枪速度等因素不同,会导致漆膜极大的外观差异。通过试验,确定比较适宜的施工工艺为:1)增加压缩空气流量,降低漆料流量;2)增大喷涂面积,适当增加喷枪距离;3)“薄涂多喷”,一般喷涂2 ~ 3 道,每道喷涂间隔约5 min;4)使用的喷枪必须能调节出漆量、出气量以及扇形大小。在具体施工过程中,水性金属闪光底色漆的喷涂应掌握“不干不湿”的原则,这样在金属闪光底色漆表干后,罩光清漆涂装前,体积尽可能收缩,对效应颜料造成压力,迫使铝粉平行取向。施工黏度一般控制在25 ~ 35 s,黏度高于40 s 时,漆膜易出现结皮,黏度太低则漆膜不丰满。漆膜厚度一般控制在20 μm 左右,涂层太薄时铝粉容易外露,导致涂膜表面粗糙,涂膜太厚时,不利于铝粉定向,导致漆膜发花。喷涂压力以200 ~ 300 kPa 为宜,压力过低,喷枪内喷出的不是漆雾而是漆滴,其在被涂物表面形成颗粒堆积,导致漆膜凹凸不平,压力过高,铝粉会在漆膜内聚集。

3 结语
本研究课题通过对成膜树脂、铝粉、助剂、成膜助剂及施工工艺的选择,完成了对水性汽车金属闪光底色漆的研究,产品的所有性能均能达到合同要求的指标,具有良好的使用价值和产业化市场前景。

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