2016-06-28 10:30:47 来源:互联网

汽车修补用水性聚氨酯底色漆制备研究

  【中国涂料采购网】0·引言

  VOC是继汽车尾气排放及烟雾之后的第三大空气污染源,是PM2.5的主要来源。传统汽车修补漆中,底色漆是汽车涂料工业VOC排放的主要来源之一,底色漆的水性化可以大大降低VOC的排放[1]。

  水性汽车底色漆初期是以水性丙烯酸乳液为主要成膜物质,具有成本低、干燥快等优点,但由于水性丙烯酸乳液自身的原因,所制备的色漆侧面带蓝光或白光,不宜调色,无法满足修补漆快速调色的要求。同时水性丙烯酸乳液含大量亲水基团,耐水性差。相比之下,水性聚氨酯底色漆干湿涂膜颜色差异小,不同喷涂技术对颜色效果影响小,遮盖力强,涂装效率高。本文研究如何制备不同颜色、热贮存稳定性好、干湿涂膜颜色差异小、施工性能好的水性聚氨酯汽车修补底色漆。

  1·试验部分

  1.1试验原料

  水性聚氨酯分散体:德国拜耳公司;水性润湿剂、水性消泡剂:德国BYK公司;乙二醇丁醚、氨水、三乙胺(TEA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、各种颜料:市售;去离子水:自制。

  1.2色浆研磨及色漆制备工艺

  中等转速下,分别加入去离子水、分散剂、润湿剂、消泡剂,分散均匀,提高转速,加入颜料,高速分散30~40min至均匀状态,然后用砂磨机研磨至细度合格。色浆研磨合格后,加入水性色漆基料稀释至合适粉含,并添加适量去离子水调节黏度,补加剩余部分润湿剂、消泡剂,加入助溶剂及水性CAB溶液,最后添加适量pH调节剂,充分分散20~30min,制得水性聚氨酯汽车修补实色漆。图1为色漆制备工艺流程图。

  1.3不同颜料水性色浆制备基础配方

  无机颜料吸油值较低,比表面积较小,分散较容易,可进行高粉含色浆研磨。有机颜料比表面积较大,吸油值高,不易分散,研磨色浆粉含较低[2-3]。表1为代表性颜料研磨色浆配方。

  1.4修补用水性色漆施工工艺

  在所制色漆中加入40%~50%自制稀料,调整施工黏度至20~30s(涂-4杯),调节喷枪气压为0.18MPa左右,喷涂距离为10~20cm,喷涂2~3道,每道闪干约5min,然后“湿碰湿”罩溶剂型2KPU清漆。

  2·结果与讨论

  2.1颜料类型与色浆研磨关系

  由表1可以看出,研磨不同颜料时粉含差异较大,分散剂添加量相差也较大。研磨粉含及分散剂用量与颜料类型密切相关。表1中二氧化钛、环保柠檬黄为无机颜料,彩度偏低,遮盖力较差,但容易分散,故研磨色浆粉含较高,其中二氧化钛为60%,环保柠檬黄为55%,分散剂添加量一般占颜料含量的0.01~0.11。透明氧化铁黄是无机颜料,同时又是纳米颜料,比表面积远高于二氧化钛,故研磨色浆粉含较低(30%),分散剂/颜料质量比为0.3~0.8。有机黄、酞菁颜料、鲜栗红、炭黑等有机颜料比表面积大,不易分散,故研磨色浆粉含较低(25%左右),分散剂添加量远高于二氧化钛等无机颜料用分散剂量,分散剂/颜料质量比一般为0.3~0.8,其中炭黑分散剂/颜料质量比高至1.0~2.0。

  2.2分散剂对色浆性能影响

  不同颜料本身颗粒表面结构差异较大,因此各种助剂所发生的效力也就有差异。制备稳定色浆的关键在于针对各类颜料的表面性质差异而选用合适分散剂类型及用量,然后经恰当的分散研磨工艺制得质量上乘的色浆。

  2.2.1分散剂类型选择

  试验中选用的是高相对分子质量分散剂,该类型分散剂分子结构主要由2部分组成,一部分为锚式基团,主要包括—NR2、—N+R3、—COOH、—COO-和—SO3H等极性基团,通过离子键、氢键及范德华力等作用与颜料粒子紧密结合。另一部分为溶剂化长链,具有足够的碳链长度,可以形成空间位阻效应。通过这两部分的协同作用,使颜料维持稳定分散状态[4-5]。表2为试验所得不同颜料最佳分散剂类型及其主要参数。

  如表2所列,研磨无机颜料二氧化钛筛选出的分散剂A为含颜料亲和基团的高相对分子质量嵌段共聚物溶液,该分散剂在水中电离产生异相电荷基团,与二氧化钛表面形成离子键吸附于颜料表面,借助电荷斥力以及空间位阻双重效应保持白色浆的稳定性。研磨酞菁蓝等有机颜料筛选出的分散剂B为含颜料亲和基团的共聚物溶液,吸附能力强,通过氢键、范德华力等作用牢固吸附于酞菁蓝表面,同时该分散剂相对分子质量大,其所含的亲水基在色浆体系中延伸形成较强的空间位阻作用,保持酞菁蓝色浆分散体系稳定。

  由于纳米特性,透明氧化铁黄色浆与水形成水合氧化铁,导致色浆在贮存过程中透明性严重下降,黏度升高直至凝胶[6-8]。试验筛选的分散剂C为含高颜料亲和基团的改性聚醚,离子强度低,远离等电点,可以有效抑制水合氧化铁的形成。故制备的色漆透明性好,彩度高,长时间贮存过程中透明度无明显下降,不发生凝胶絮凝,与其他色漆及金属闪光漆调色后亦具有良好的贮存稳定性。

  2.2.2分散剂用量对色漆稳定性影响

  以研磨酞菁蓝为例分析分散剂添加量对色漆颜色及贮存稳定性影响。如表3所列,添加量偏低时,色漆不能很好地展色,且在贮存过程中出现返粗;添加量过高时,颜色较好,但色漆贮存稳定性差,出现分层、絮凝等现象。这是因为酞菁蓝表面包含较多活性吸附中心,分散剂通过活性吸附中心稳定吸附于颜料表面,形成较厚吸附层。添加量偏低时,颜料表面不能形成完整吸附层,未被分散剂覆盖的颜料表面为减少表面能量发生聚集,从而导致色漆稳定性差,引起返粗、遮盖力降低、黏度升高等问题。分散剂添加量过高时,过量分散剂游离于体系中,容易与已吸附于颜料表面的分散剂发生缠结,使分散剂从颜料表面脱落,导致颜料颗粒返粗,产生絮凝,降低贮存稳定性。只有当分散剂用量为最佳时,才能在颜料表面形成合适的稳定吸附层,产生足够的位能阻止粒子重新团聚,从而使体系具有最佳的稳定性。不同颜料分散剂最佳用量如表4所列。

  2.3制备工艺对色浆稳定性影响

  水性色浆制备关键在于使颜料均匀悬浮于水相体系中,即利用机械搅拌将颜料从聚集体状态解聚成初始颗粒状态,均匀悬浮于体系中,并且保持稳定。色浆制备过程通常包括预分散和研磨2个步骤,预分散转速以及研磨强度均对色浆稳定性有重要影响。

  2.3.1预分散转速影响

  在预分散过程中,分散助剂和颜料时需要选择不同的转速。将各种助剂加入到去离子水中后,添加颜料之前,称为预分散第1阶段,该分散阶段一方面使各种助剂均匀混合,另一方面对部分助剂起到乳化分散的作用,转速太低,分散剂等助剂不能被均匀分散,影响颜料润湿及分散,最终影响色漆贮存稳定性;转速过高则会混入大量空气,产生大量气泡,并且增加能耗,因此该阶段转速采用中速(1000r/min左右)。颜料添加完毕后(预分散第2阶段),为使颜料能被较快地带入体系并充分分散,适当提高分散转速,但转速过高容易造成体系湍流从而影响分散效果,试验中研磨高粉含色浆时转速保持2500r/min左右,研磨较低粉含时采用1800r/min左右转速。

  2.3.2研磨次数影响

  为使颜料稳定地分散在体系中,预分散之后需要使用砂磨机进一步研磨色浆,使其细度达到一定标准。随着研磨次数增加,颜料粒径逐渐变小,贮存稳定性相应提高,当颜料粒径降至一定程度后,新生颗粒强大的表面能会使颜料重新团聚,此时研磨设备产生的机械粉碎力一部分将用于阻止颗粒重新团聚,能耗增加但研磨效果基本不变。试验中设定的色浆细度标准为10μm,该粒径颜料可充分使实色颜料展色,透明性颜料表现高透明度,且在贮存过程中细度、颜色、透明性等保持不变。当色浆研磨至10μm后即停止研磨,进行下一步骤。

  2.4水性聚氨酯实色漆制备

  2.4.1颜基比对色漆性能的影响

  涂料中主要成膜物质又被称为基料,其作用是将涂料中的其他组分黏结成一整体,附着在被涂基层表面,干燥固化形成均匀连续坚韧的保护膜。基料对涂膜硬度、柔韧性、耐磨性、耐冲击性、耐水性、耐候性及其他物理化学性能起到决定性作用。试验中选用的聚氨酯分散体为脂肪族聚碳酸酯改性聚氨酯,利用其制备的色漆基料颜色浅、透明度高、不带蓝光,对快速调色无不良影响,可满足修补漆市场快速调色的要求。不同颜料颜基比如表4所列。

  2.4.2中和剂类型及体系pH选择

  水性涂料中常用的中和剂有氨水、三乙胺(TEA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、2-氨基甲基-1-丙醇(AMP-95)等,选择中和剂主要考虑其挥发性及碱性强弱。氨水挥发速度过快,容易造成体系不稳定,另一方面氨水中和的树脂对颜料润湿性差,故不选用氨水。TEA常温稳定,但在高温贮存条件下易挥发,适用于常温干燥涂料。本试验考虑色漆在50℃条件下的贮存稳定性,故采用DMEA作为中和剂。

  制备色漆时,添加中和剂调节体系pH,除了纳米材料的透明氧化铁外,大部分颜料色漆在pH为8.0~8.5范围内色漆贮存稳定性最佳,而透明氧化铁在碱性体系中加速生成水合氧化铁,不利于色漆贮存,当降低体系pH至7.0左右时,制备的色漆彩度高、透明性好,贮存过程中基本保持不变,故调节透明氧化铁黄色漆pH至7.0左右。

  2.5施工工艺

  施工方式采用手工空气喷涂。本试验设计的底色漆可以参照溶剂型汽车修补底色漆施工工艺,控制喷涂气压为0.18MPa左右,喷涂2~3道,每道约闪干5min。色漆中加入50%左右自制稀释剂,调节施工黏度为30s(涂-4杯)左右,施工温度控制在15~35℃之间,相对湿度30%~70%。水性聚氨酯底色漆性能指标如表5所列。

  3·结语

  通过对研磨不同颜料分散剂类型及用量、研磨工艺、颜基比及体系pH选择,对汽车修补用水性聚氨酯底色漆进行了研究,结果如下:

  1)二氧化钛最佳分散剂/颜料质量比为0.02,环保柠檬黄为0.05,酞菁蓝等有机颜料为0.3~0.5,炭黑为1.5。

  2)选用高相对分子质量分散剂C,调节体系pH至7.0左右,可有效抑制透明氧化铁黄与水形成水合氧化铁,贮存过程中保持透明性、黏度及稳定性不变。

  3)颜料添加前预分散阶段采用1000r/min中速,添加颜料后采用1800~2000r/min高速,色浆研磨至10μm后即停止研磨,所制备色浆能耗低、稳定性好。

  4)所制备色漆施工性好,漆膜干燥速度快,漆膜厚度、硬度及柔韧性好,干湿漆膜颜色差异小,满足快速调色要求,具有良好的使用价值及产业化市场前景。

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