水性低成本闪光漆的制备与探讨

胡小锋,邱旭炜,严浩安,王博
(佛山市高明同德化工有限公司,广东佛山528515)

摘要:水性闪光涂料作为一种新型的环保涂料,由于其优异的装饰效果而备受人们的关注。本文主要讨论的是一种水性闪光面漆的制备和其性能研究。产品采用丙烯酸树脂作为主要的成膜基质,采用处理后的溶剂型铝粉为效应颜料,将具有核壳结构的丙烯酸乳液引入涂料体系,调整了整个体系的流变性能,以及触变指数Ti,并且引入PUA树脂提高了体系的稳定性和涂膜的各项性能。

关键词:低成本;核壳丙烯酸乳液;水性丙烯酸改性聚氨酯;铝粉定向;触变指数Ti;溶剂型铝粉处理

0 引言
传统溶剂型涂料中溶剂的挥发(VOC)是PM2.5 的主要来源之一。传统的溶剂型金属闪光涂料中含有80%左右的VOC,会在涂装过程中排放到大气中,是涂装工业VOC 排放的最主要来源之一。水性金属闪光漆的主要基料之一便是水性丙烯酸树脂。水性丙烯酸树脂在使用中尚有一些问题, 与溶剂性丙烯酸树脂存在较大差距。通过调整流变性能,以及主体树脂对铝粉的润湿性能,可以很方便地控制涂料的流挂、流平、铝粉的沉降、取向、排列等问题, 大大增强了涂料的可施工性,直接缩小了和溶剂型金属闪光涂料的差距。
1 水性闪光漆的基本原理
水性金属闪光底漆之所以具有非凡的装饰效果,是因为该类涂料中加人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,光线照过来后通过各种有规律的反射、透射或干涉,最后人们就会看到有金属光泽的、随角异色的闪光效果。光线照射到涂层表面的反射情况可用图1、图2、图3 来表示。
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但是图2 和图3 基本上都是理想中的定向效果。而溶剂型涂料,由于溶剂挥发速度快,主要是靠漆膜的快速收缩,使金属颜料快速定向才能达到较好的效果,如图4、图5 所示。

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溶剂型闪光漆有很多种提高铝粉定向效果、提高金属感的方法,例如使用快干溶剂、加入CAB、加入硝化棉、加入定向蜡等等。但是水性闪光漆由于自身的特点,水不可能挥发那么快,这些方法都不能使水性金属闪光漆达到溶剂型那样立竿见影的效果。
2 实验部分
2.1 实验原材料以及仪器设备

2AB903W 核壳丙烯酸乳液、3UA49W 丙烯酸改性聚氨酯分散体、WD011 铝粉处理剂:同德化工;铝粉:日本东洋公司;N,N 一二甲基乙醇胺(DMEA)、氨基树脂:市售;乙二醇丁醚:分析纯;去离子水:自制;NDJ-1旋转黏度计、涂-4 杯:广州标格达;W-101 空气喷枪:日本岩田;流变仪:安东帕。
2.2 水性闪光漆制备步骤
首先, 以一定比例将溶剂乙二醇丁醚缓慢加入到一定量的铝粉中,在低剪切速率下搅拌均匀,使其充分混合均匀,备用。其次,将丙烯酸乳液,在低剪切速率下加入PUA 树脂和氨基树脂,使漆液充分混合均匀。然后加入制备好的铝浆,低速搅拌下分散5 ~ 10 min,缓慢搅拌、最后加入10%DMEA, 调节pH 约为8.5,最后, 加水调整漆液黏度(涂-4 杯)为30 ~ 50 s, 过滤,水性金属闪光底色漆配制完成,待喷涂。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。
2.3 检测方法以及检测结果
本文检测水性闪光漆主要检测最终的铝粉定向性能。目视观察铝粉的排布,正面看白度越高,铝粉定向效果越好;侧面看白度越低,铝粉定向效果越好。使用2AB903W 核壳丙烯酸乳液, 加入树脂量25%左右的丁二醇(BG)溶剂,铝粉定向效果最佳。水性闪光漆在实际应用中绝大部分还是需要罩光的,而且是湿碰湿工艺施工之后,140 ℃、20 min 烘烤进行全性能检测,见表1。

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3 分析与讨论
3.1 水性闪光漆的技术路线

水性闪光漆目前要求最高的应用领域是水性汽车OEM 原厂漆。目前成熟,能够应用在市场的基本上有如下几种,见表2。
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从表2 可以看出市场化用作闪光漆的主体树脂主要还是核壳丙烯酸乳液和丙烯酸改性聚氨酯(PUA)或者PUD。但是作为低成本来讲主要还是核壳丙烯酸乳液。而水性闪光漆的另外一个关键点就是触变指数Ti,或者是说流变性能。达到图6 的流变效果,铝粉定向效果比较好。

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目前在闪光漆中能够调整流变性能的有如下几个方向,见表3。
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如果是做汽车原厂漆,目前主流采用的技术路线是流变改性蜡助剂硅酸盐,BASF 公司和日本关西主要采用的是使用硅酸盐调节流变效果,其他公司也会用硅酸盐和流变改性蜡助剂配合使用。但是众所周知,这些跨国大公司采购的原材料的价格,比市场价格低很多,而且,用于汽车原厂漆的成本压力不会像普通工业漆的压力这么大。
3.2 核壳丙烯酸乳液的特性
2AB903W(同德)是一个典型的核壳丙烯酸乳液,其基本性能见表4。
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2AB903W 有核壳结构。他憎水性的核拥有大部分树脂特性,它羧基的壳与胺中和后变成水溶。中和后,壳溶胀,其聚合物链“重叠”并缠住,形成高黏度。在剪切力下,聚合物链解开,黏度下降。这令树脂拥有假塑性,并因此有优异的施工性能(雾化)和颜料(铝粉和云母粉)优异的定向性能,如图7 所示。

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2AB903W 这种类型的核壳乳液, 只有在pH 提高,并且体系中含有溶剂的情况下才能发挥作用。建议pH 值控制在8~9 之间, 溶剂含量占2AB903W 的25%。图8 是pH=8 时溶剂含量对黏度和触变指数的影响。

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根据这些特性,初步建议水性闪光漆配方见表5。

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3.3 闪光漆性能改进与成本的降低
根据GPC 检测,2AB903W 的相对分子质量大约在200 万,按照表5 的配方,漆膜硬度在2H 以上,柔韧性较差,需要拼入一些柔性树脂,并且不能影响铝粉定向的树脂。当拼入3UA49W 树脂,柔韧性和层间配套性有了明显的提高。3UA49W 是一款PUA 树脂,柔韧性好,干燥速度快。根据调整,较为合适的配方见表6。
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从表6 可以看出,解决了性能问题之后,整个配方最贵的就是水性铝粉了, 市面上有很多水性铝粉,便宜的有可能只有100 元/kg 左右, 但是怎么样都比溶剂型的贵很多,而且,需要外观好的,金属感强的,白度高的,会更加昂贵。而且一般水性铝粉的选择面也没有溶剂型的广泛。WD01 处理剂是一支磷酸酯类的聚合物,能够比较好的将绝大部分银元型的溶剂型铝粉处理成水性体系可以使用的铝粉。处理方法简单,只需要低速搅拌即可,这种处理方法已经成熟应用于各大汽车漆公司。检测胀气设备如图9 所示。
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因为并不是所有铝粉都适合处理,因此推荐每个铝粉在处理之后需要检测胀气性能,根据经验,放入40 ℃的水浴锅之后,能够保持水面不要上升4 cm,就能够满足使用要求,能够保持6 个月的有效期。一般没有处理好的话1 d 之后水面就基本上升4 cm 以上了。使用WD01 处理后的配方见表7。
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这样下来, 这个水性闪光漆的成本就比较低了,而且制作工艺简单,铝粉定向效果好。推荐用于一些三轮车,四轮电动车之类的市场。根据这个配方制作出的复合涂层的性能检测结果见表8。
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注:性能检测条件:电泳钢板上喷涂水性闪光漆(12~18)μm,80℃烘 烤5 min后,喷涂溶剂型清漆(35~45)μm,最 后140℃烘烤20 min检测

综合来说,从原材料方面,首先,用溶剂型铝粉替代了水性铝粉,平均来算成本降低了约5 元/kg,不仅如此,还大大扩宽了铝粉的选择范围。其次,用核壳丙烯酸乳液部分替代了昂贵的水性聚氨酯分散体(PUD),并且减少了流变助剂的加入量,平均降低了约8 元/kg 的成本。虽然该配方成本还是有可能比溶剂型的高一些,但是减少了溶剂的使用,以及减少了洗枪溶剂的使用,综合成本可以做到跟溶剂型的基本一致。
4 结语
由于中国气候环境的恶化,中国政府对一些污染企业的整治力度逐渐加强,现在汽车原厂漆已经在大的汽车厂全面使用了,例如北汽、长城、长安等等,但是也有很多低端的客户, 例如三轮车和老年代步车,这些产品的利润空间小,性能要求也比较低,使用涂料的价格基本都是在30 元/公斤左右, 因此绝大部分不会主动更换为成本较高的水性汽车漆。本文的低成本闪光漆给出了一个解决方案,而核壳丙烯乳液的成本低廉,使用方便简单的特性,也将会是水性闪光漆的一个主流技术方案和路线。当然,水性漆依旧会有自己的缺点,例如水性闪光漆对环境的温湿度比较依赖,也就是说如果没有温湿度控制,同一天喷涂,由于下雨了,温湿度发生了变化,最后出来的产品外观有可能会色差很大。但是如果增加恒温恒湿设备将会大大提高涂装成本。但是相信随着环保的压力越来越大,技术的不断更新,这个问题就会不断的减弱,甚至得到有效的解决。

文章发表于《涂料技术与文摘》2017年6月


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