水性丙烯酸改性环氧烤漆的制备及其在五金家具上的应用

水性丙烯酸改性环氧烤漆的制备及其在五金家具上的应用

陈耀财1 姚唯亮2 安贞基3
(1. 南宝纳路涂料(越南)有限公司;2. 上海市涂料研究所,200062 ;3. 韩国Spring Chem. Co.)

我国五金家具厂生产户内外的金属家具,如户外庭园桌椅及公园椅等,户内凉椅及藤椅与附配桌子等,主要使用材料为金属与玻璃。对金属材料选用粉末涂料及液体涂料进行涂装。其中常用的液体涂料为自干修补漆、自干玻璃造型手刷漆、高温金属烤漆及高温玻璃烤漆。少数五金家具厂将水性浸渍电泳漆用于铁件与铁管的防腐来取代粉体涂料,上面再涂装溶剂型面漆。户内外金属家具早已要求涂料限制重金属,尤其是对铅的含量有严格限制。由于环保意识提高,以后对溶剂的使用也会提出相应的要求。因此,使液体涂料走向水性化、高固体分或无溶剂化,可同时用于铁材与玻璃底材上,并具有良好的附着性,从而省工艺,少流程,减少设备投资是涂料研发人员努力的方向。本文制备了水性丙烯酸改性环氧烤漆,并设计用于五金家具的金属与玻璃上,考察了涂料的物化性能,并对涂装方式与设备的选用作了探讨。

1 实验部分
1.1 主要原料和仪器
(1) 主要原料
主体树脂:STW-601,水性丙烯酸改性环氧树脂,上海市涂料研究所;分散剂1,德谦;分散剂2,德谦;氨基树脂303LF,氰特;湿润流平剂,AFCONA ;消泡剂1,BYK 公司;消泡剂2,AirProducts 公司;pH 调节剂,德谦;水性防沉剂,德谦;去离子水,自制;水性白色浆(固含量约55%),自制;DPM( 二丙二醇甲醚),外购;IBA(异丙醇),外购。
(2) 主要仪器
主要仪器见表1。
表1 试验仪器清单


1.2 基本配方
水性丙烯酸改性环氧烤漆基本配方见表2。

1.3 制备工艺
(1) 依序将1~9 号原材料加入调漆缸中,高速(1 000 r/min)分散0.5 h,分散均匀。
(2) 在高速(1 000 r/min)分散下,加入11 号原材料,继续高速(1 000 r/min)分散10 min。
(3) 在高速(1 000 r/min)分散下,加入13 号原材料,继续高速(1 000 r/min)分散10 min。
(4) 用10 号原材料调整pH 大于8,可加适量的去离子水调节黏度。
(5) 用120 目绢丝布过滤,出料。
1.4 涂层的性能测试
底材:玻璃,马口铁等,事先以丙酮擦拭到无污点及油脂等污染物。
涂装方式:以不同涂装方式,如刷涂、辊涂、喷涂、浸涂、淋涂进行比较,干膜厚度控制在25 μm 左右。
烘烤条件:160℃,20 min。
检测标准:参考某五金家具厂喷涂在金属材质上的粉末涂料检验标准要求(见表3),以及溶剂型玻璃高温烤漆检验标准要求(见表4)。
重涂测试:经重涂烘烤冷却后进行划格附着力测试(至少重涂3 次)。
涂料基本物性指标测试:细度、黏度、膜厚、固含量、pH 值等。
耐水性及耐化学品性测试:分别浸泡于(1)自来水,(2)二甲苯,(3)3%NaC1,(4)10%NaOH,以及MEK 擦拭测试。耐醇性、耐磨性及贮存稳定性测试。

表 4 溶剂型高温烤漆检测标准(玻璃底材)

2 实验结果
以表3 为依据,自制白色水性丙烯酸改性环氧烘漆在马口铁上的性能指标如表5 所示。
表5 白色水性丙烯酸改性环氧烘漆在马口铁上的性能指标

以表4 为依据,自制白色水性丙烯酸改性环氧烘漆在玻璃底材上的性能指标如表6 所示。
表6 白色水性丙烯酸改性环氧烘漆在玻璃底材上的性能指标

涂料基本性能指标与其它理化性能检测结果如表7 所示。
表 7 涂料基本性能检测结果

3 讨论
3.1 主体树脂的选择
五金家具及金属桌上玻璃除了修补漆及手刷漆采用一液及两液自干型涂料外,一般皆采用一液型高温烘干烤漆,这主要考虑到空间存放问题及等待完全干燥固化时间太长而影响生产效率缘故。因此水性一液自干涂料树脂及水性两液反应型自干涂料树脂,如水性丙烯酸树脂及水性聚氨酯树脂在此暂不考虑使用。再者,一液型水性丙烯酸树脂的物化性能较差,如耐乙醇性差,硬度低,遇热回黏,不耐腐蚀,对金属及玻璃表面附着力不理想等[1-2]。另一方面,水性聚氨酯树脂虽物化性能方面没有一液型水性丙烯酸树脂的上述缺点,但受到可使用时间限制(一般为4 h),及配比要求准确性[3],因此涂装加工厂不会考虑将两液型水性聚氨酯涂料用于浸涂或淋涂涂装生产工艺上。水稀释型丙烯酸改性环氧树脂具有高模量,高强度,高韧性,耐化学性佳,耐腐蚀性优及对金属与无机物,如玻璃有非常优异的附着力,又兼有丙烯酸树脂的优异耐候性与光泽的特点[4]。它借氨基反应烘烤固化后,对金属及玻璃有非常优异的附着性及柔韧性,因此可用于金属喷漆烘干后加工成型。水性丙烯酸改性环氧烤漆可采用喷涂、浸涂、刷涂、辊涂及淋涂后烘干成膜,适用范围广,可用于金属及玻璃加工业,如五金家具及镜业等行业。
3.2 树脂改性原理
丙烯酸改性环氧树脂是在高温下,通过过氧化物夺氢,将丙烯酸单体接枝到环氧树脂主链上,再进行自由基加成聚合的一类反应。它是通过化学的手段将丙烯酸聚合物接枝到环氧树脂上,可根据不同的要求,选择接枝丙烯酸树脂的比例和玻璃化温度。
3.3 工艺与特性
本实验采用上海市涂料研究所生产的水性丙烯酸改性环氧树脂产品STW601,主要是以环氧为主,占70%,丙烯酸占30% 的水分散体。主要表现出了609 环氧树脂的特性,可以与氨基树脂进行交联。大致的工艺如下:将1009(SHELL)环氧树脂用乙二醇丁醚溶解后,升温到110~150℃,将夺氢过氧化物催化剂和各丙烯酸单体一同缓慢滴加入环氧溶液中,进行接枝反应。反应3 h 后,降温,加入pH 调节剂,将pH 值调到7.5~8.0 后,用水稀释至标准固体分,出料。此树脂可归类为水稀释型丙烯酸改性环氧分散体,其性能特点:(1)乳液粒径小,贮存稳定性良好;(2)具有良好的颜料润湿性和高度的剪切稳定性;(3)具有优异的附着力和高硬度;(4)具有良好的耐水性和耐化学品性;(5)具有优异的耐盐雾性。其产品规格见表8。因为它具有上述特点,因此选用它作为快速淋涂低温固化生产工艺的水性玻璃漆用树脂。
表8 STW601 产品的规格

氨基树脂:可选用氨基树脂,如Cyme 303、Resimene717 等,与此水性丙烯酸改性环氧树脂STW601 混合制备烘烤涂料。视用户实际使用要求,配比以1 ∶ 10~3(均以固体计)不等,制备水性单组分烘烤涂料,该体系在120~220℃温度范围内,对应的固化时间为10 min~30 s。本实验配比为1∶2.5(固含比),烘烤温度为160℃,固化时间为20 min。氨基树脂使用时应先与STW601 进行混溶性测试。颜填料:此试验配方仅采用自制白色浆,未添加其它填料或防锈颜填料。自制白色浆中含金红石钛白粉约55%。考虑到物性及成本,可加入填料,如滑石粉。五金户内外家具涂料都对8 种重金属有严格限制,因此要谨慎选用颜填料,如硫酸钡就不可使用。pH 值:在制备过程中使用醇胺类有机物AMP-95 调整pH 值到8.0~9.0,来确保单组分烘烤涂料体系的贮存稳定性[5]。
3.4 与其它水性烤漆对比
水性丙烯酸改性环氧烤漆与其他水性烤漆的性能对比见表9。由表9 可见:水性丙烯酸改性环氧烤漆在弯曲性及耐盐雾性上更胜一筹。要注意的是:此水性丙烯酸改性环氧烤漆配方中未加任何水性防锈剂,如Raybo75,其优异的弯曲性可以达到彩色钢板涂料弯曲试验B 法的OT 要求[6],因此,此涂料可以符合先预涂后加工成形要求。在实际应用中已经把水性丙烯酸改性环氧树脂STW601 应用于水性卷尺涂料中。环氧树脂提供对金属与无机物,如玻璃的优异附着力。这一特性克服了水性高温烤漆重涂附着性不良的隐患。经笔者重复测试发现:在同样硬度与相同膜厚条件下,至少可以重涂3 次以上,远胜于一般的水性聚酯烤漆、水性聚酯聚氨酯烤漆或水性丙烯酸烤漆在同样条件下的性能。有些五金家具置于户外,如庭院、公园,因此要考虑耐候性。一般户外五金家具要求对涂料进行人工加速老化试验,视客户要求高低而标准不一。以专作外销的五金家具厂其耐光性要求规格:UVA-340,60℃,100 h,涂膜无异常,ΔE<3.0。本实验2 次QUV测试所得ΔE 数据分别为3.0、3.3,平均ΔE=3.2,被判定为不合格。主要是本实验中采用水性丙烯酸改性环氧树脂,环氧树脂占70%,环氧树脂中含有吸收紫外光的光敏基团,易发生光降解。为了提高抗紫外线性能,建议户外家具(金属件,玻璃桌面)用涂料配方中可以加入抗老化剂及紫外光吸收剂。

3.5 涂装操作性
本实验制备的水性环氧改性丙烯酸烤漆在实验室可以采用刷涂、辊涂、喷涂、淋涂等涂装方式。但是真正上线浸涂、淋涂涂装时,需考虑槽内防沉降性;对不同底材的润湿性;以及考虑摇变性对淋涂均匀平整又不破淋幕。因此必须修订配方,直到试线成功。
3.6 涂装设备投资及与其它涂料配套
因为至今一般粉末涂料因玻璃无法静电吸附,所以五金家具厂都会投资液体喷涂设备及粉末涂装设备两套设备。针对水性丙烯酸改性环氧烤漆而言,不管淋涂、浸涂或喷涂,如果真正在五金家具厂对金属及玻璃底材试线成功,则业主可以不去考虑投资粉末涂装设备。粉末涂料使用喷枪不同及法拉第效应会造成大平面底材中央部位粉末附着较少,造成涂膜不平整;另外金属管件内部中空部位粉末涂料无法喷涂到位,而使内部失去防腐保护作用。因此五金家具业者针对金属基材已经逐步引入水性电泳漆,再喷涂面漆。因此水性丙烯酸改性环氧烤漆可作为水性面漆与水性电泳漆配合使用,除了取代溶剂型面漆降低VOC外,又可达到更好的防腐及物化性能效果。虽然水性环氧电泳漆具有非常优异的物化性能、平整性、附着性与良好的耐盐雾性,但是水性丙烯酸改性环氧烤漆有更佳的耐候性,因此业主可尝试舍去水性环氧电泳底漆外喷面漆工艺,而直接采用水性丙烯酸改性环氧烤漆的底面合一的一次喷涂工艺流程。不少五金家具制造业者想大大降低喷漆的飞散损耗,因而引入淋涂设备来涂装玻璃底材或引入浸渍槽来浸涂不规则金属工件及金属小部件。笔者认为:设计良好的水性丙烯酸改性环氧烤漆配方,可以作为底面合一环保涂料,来符合上述设备使用,并能达到五金家具的物化性能要求。

4 结语
水性丙烯酸改性环氧烤漆对金属及玻璃有优异的附着力,具有高模量,高强度,高韧性,耐化学品性佳,耐腐蚀性优异等特点,符合户内外五金家具厂对涂料的要求,又兼有丙烯酸涂料的耐候性与光泽特点,是传统水性环氧树脂漆无法比拟的,若加入合适的抗老化助剂,则可达到户外五金家具耐候性、耐光性的标准要求。水性丙烯酸改性环氧烤漆适用范围广,可采用喷涂、浸涂、刷涂、辊涂及淋涂后烘干成膜。可以取代溶剂型高温玻璃烤漆,部分取代粉末涂料与水性环氧电泳底漆,适合于户内外五金家具厂使用,除了环保减排外,又减少了涂料种类和涂装工艺流程,以及降低设备成本投资。

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