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前言

 

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，涂料的水性化程度在逐步提高，根據(jù)實(shí)際使用要求的不斷提高，丙烯酸樹(shù)脂單獨(dú)使用大多難以同時(shí)達(dá)到重涂、耐溶劑、T彎、耐紫外等性能要求，部分客戶在制漆時(shí)用聚酯樹(shù)脂與丙烯酸樹(shù)脂搭配解決上述問(wèn)題，但是受成本高、相容性差、耐候性差等因素影響較大。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)優(yōu)選高性能水性改性丙烯酸樹(shù)脂與氨基樹(shù)脂合理搭配能有效改善水性涂料的重涂、耐溶劑、耐紫外等多方面性能；本文針對(duì)應(yīng)用較廣泛的鋁合金基材，優(yōu)選高性能水性丙烯酸樹(shù)脂，采用不同的氨基樹(shù)脂及其配套固化體系，制備出水性特殊改性丙烯酸烘烤型涂料，研究了氨基樹(shù)脂為主的固化體系對(duì)所制備產(chǎn)品重涂性以及綜合性能的影響。

 

1、 實(shí)驗(yàn)部分

 

1.1藥品及儀器

水性丙烯酸改性樹(shù)脂(ZTC-02A)，工業(yè)級(jí)，湖南智涂新材料有限公司；水性丙烯酸樹(shù)脂5208，工業(yè)級(jí)，市售某公司產(chǎn)品；氨基樹(shù)脂303，工業(yè)級(jí)，氰特；氨基樹(shù)脂325，工業(yè)級(jí)，氰特；NN-二甲基乙醇胺（DMEA），工業(yè)級(jí)，巴斯夫；封閉異氰酸酯固化劑，工業(yè)級(jí)；苯代氨基樹(shù)脂，工業(yè)級(jí)；密著劑ZTC-808R，工業(yè)級(jí)，湖南智涂新材料有限公司；酸性催化劑，工業(yè)級(jí)；流平劑，工業(yè)級(jí)，埃夫卡3777；二丙二醇甲醚（DPM），工業(yè)級(jí)；丙二醇甲醚（PM），工業(yè)級(jí)；異丁醇，工業(yè)級(jí)；丁酮，工業(yè)級(jí)；水性烤漆DW-1，工業(yè)級(jí)，市售某公司產(chǎn)品。

 

燒杯；小型高速分散機(jī)；電子天平；鼓風(fēng)干燥箱；3M膠帶；百格刀；光澤度儀；鉛筆硬度計(jì)；紫外光老化試驗(yàn)箱；T彎試驗(yàn)機(jī)；耐溶劑擦拭儀；恒溫水浴鍋。

 

1.2水性烤漆制備

依次加入主體樹(shù)脂45g、303氨基樹(shù)脂2-10g、325氨基樹(shù)脂1-5g、苯代氨基樹(shù)脂0-2g、中和劑（DMEA）3g、封閉型異氰酸酯固化劑0-7g、密著劑2g、酸性催化劑1g、流平劑0.2g、DPM 15g、PM 10g、異丁醇10g，用高速分散機(jī)，300r/min分散10min左右，靜置消泡，待用。

 

1.3漆膜的制備

將表1和表3中配制的水性烘烤型涂料，分別加水開(kāi)稀至適當(dāng)粘度，噴涂于鋁板上（鋁板厚度約0.8mm），并在150℃烘烤30min，出爐自然冷卻至常溫，再放進(jìn)鼓風(fēng)干燥箱，150℃烘烤30min；按照上述步驟再進(jìn)行一次噴涂和烘烤，出爐后自然冷卻至常溫，即完成漆膜制備，方可進(jìn)行后續(xù)性能測(cè)試。

 

1.4性能測(cè)試

漆膜光澤度測(cè)試：60°光澤度儀，GB/T 1743-1979。漆膜硬度測(cè)試：鉛筆硬度計(jì)（三菱鉛筆），GB/T6739-2006。重涂測(cè)試：百格法，GB/T 9286-1998。丁酮測(cè)試：耐溶劑測(cè)試儀， GB/T 23989-2009。耐水煮測(cè)試：沸水中蒸煮一定時(shí)間后，冷卻擦干，百格法測(cè)試涂層是否脫落，GB5237－2000。T彎測(cè)試：T彎試驗(yàn)機(jī)，GB/T 30791-2014。耐紫外測(cè)試：紫外光老化試驗(yàn)箱，GB/T 14522-2008。

 

2、 結(jié)果與討論

 

2.1 水性丙烯酸主體樹(shù)脂的篩選

丙烯酸樹(shù)脂，以其在附著力、光澤度、耐腐蝕、耐候等方面的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬、玻璃、塑膠、木器等領(lǐng)域。本文主要針對(duì)水性丙烯酸樹(shù)脂在鋁合金基材涂料，如鋁合金自行車涂料、鋁合金室外裝飾板涂料以及水性卡車鑄鋁涂料等方面的應(yīng)用情況，選擇較厚的鋁合金基材進(jìn)行涂裝及性能測(cè)試研究。

 

本研究的主體樹(shù)脂，選擇市售水性丙烯酸樹(shù)脂5208和我司自主研發(fā)的特殊改性水性丙烯酸樹(shù)脂ZTC-02A。其中，5208是采用常規(guī)丙烯酸單體和傳統(tǒng)的引發(fā)體系，制備出的玻璃化溫度較高的水溶性丙烯酸樹(shù)脂，其應(yīng)用于普通五金烤漆方面，性價(jià)比較高；ZTC-02A采用了兩個(gè)階段的特殊改性，首先通過(guò)超支化和多活性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備一定分子量的預(yù)聚體，然后對(duì)該預(yù)聚體進(jìn)行丙烯酸功能化接枝改性，實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品在鋁合金、鎂合金、不銹鋼、鍍鋅件等基材表面，都具有普遍較強(qiáng)的附著能力。針對(duì)這兩支產(chǎn)品在水性金屬烤漆方面的應(yīng)用特點(diǎn)，選用較常用的氨基樹(shù)脂（氰特303和325搭配）設(shè)計(jì)鋁合金基材表面的水性烤漆初步實(shí)驗(yàn)方案及對(duì)應(yīng)的涂層性能如表1。

 

表1 水性丙烯酸主體樹(shù)脂篩選實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

 

注：(1)表中“氨基比”為主體樹(shù)脂與氨基樹(shù)脂的重量比；(2)各實(shí)驗(yàn)配方選擇較適中的固化梯度，即氨基樹(shù)脂303與325的重量比≈2:1；(3)各實(shí)驗(yàn)配方的其他組分，詳見(jiàn)1.2節(jié)水性烤漆制備中的各組分重量。

 

由表1可知：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中固化體系，采用了氰特氨基樹(shù)脂303和325按2:1搭配，氨基比采用3:1~10:1，分別對(duì)ZTC-02A樹(shù)脂和5208樹(shù)脂進(jìn)行水性烤漆的調(diào)配。

 

從涂層性能來(lái)看：

 

1）采用ZTC-02A樹(shù)脂調(diào)配的水性烤漆，在鋁合金基材表面固化成膜后，光澤在132-136°（60°角光澤度儀測(cè)試）、重涂性0-1級(jí)、硬度1-3H、耐丁酮30-50次、耐水煮1-2h、T彎0-1T、耐紫外2000h；

 

2）采用5208樹(shù)脂調(diào)配的水性烤漆，在鋁合金基材表面固化成膜后，光澤在95-98°（60°角光澤度儀測(cè)試）、重涂性3-4級(jí)、硬度2-3H、耐丁酮5-10次、耐水煮0.5-1h、T彎2-3T、耐紫外500h。

 

3）隨著氨基比的增大，漆膜硬度、耐水煮、耐丁酮性能逐漸下降；重涂性和T彎性能逐漸提高。

 

綜合來(lái)看：①ZTC-02A樹(shù)脂調(diào)配的水性烤漆，在光澤、重涂性、耐丁酮、耐水煮、T彎、耐紫外等方面的性能均優(yōu)于5208樹(shù)脂。②ZTC-02A樹(shù)脂調(diào)漆，氨基比選擇在5:1和8:1的綜合性能較優(yōu)。因此，本文后續(xù)選擇ZTC-02A樹(shù)脂作為鋁合金基材水性烤漆進(jìn)一步性能優(yōu)化的主體樹(shù)脂。

 

2.2 水性丙烯酸樹(shù)脂配套固化體系的優(yōu)化

通過(guò)前期篩選實(shí)驗(yàn)，確定了ZTC-02A樹(shù)脂為重涂性等綜合性能較優(yōu)的主體樹(shù)脂，也初步得到氨基比為5:1-8:1的性能較佳。在此基礎(chǔ)上，考慮選擇氨基比為6.5:1，進(jìn)一步研究固化劑體系對(duì)綜合性能的影響，確定鋁合金基材表面更優(yōu)的水性烤漆配方。

 

表2 基于主體樹(shù)脂ZTC-02A的固化體系優(yōu)化方案及結(jié)果

 

注：（1）表中“氨基比”為主體樹(shù)脂與氨基樹(shù)脂的重量比；（2）對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，引入了苯代氨基樹(shù)脂和封閉性異氰酸酯固化劑，進(jìn)一步提升產(chǎn)品綜合性能；（3）各實(shí)驗(yàn)配方的其他組分，詳見(jiàn)1.2節(jié)水性烤漆制備中的各組分重量。

 

由表2可知：基于主體樹(shù)脂ZTC-02A的固化劑體系，在氰特氨基樹(shù)脂303、325的基礎(chǔ)上，引入了苯代氨基樹(shù)脂和封閉型異氰酸酯固化劑，控制氨基比為6.5:1，對(duì)ZTC-02A樹(shù)脂進(jìn)行水性烤漆的調(diào)配。

 

從涂層性能來(lái)看：

 

1）采用ZTC-02A樹(shù)脂調(diào)配的水性烤漆，在鋁合金基材表面固化成膜后，光澤在135-139°（60°角光澤度儀測(cè)試）、重涂性0級(jí)、硬度3-4H、耐丁酮100-200次、耐水煮2-10h、T彎0T、耐紫外2000h；

 

2）隨著封閉型異氰酸酯固化劑的用量增加，耐丁酮、耐水煮性能逐步增強(qiáng)，同時(shí)還出現(xiàn)了一個(gè)很好的現(xiàn)象，就是硬度逐步上升了，而重涂性和T彎性能仍然保持不錯(cuò)的效果。

 

3）結(jié)合2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在常規(guī)303和325的氨基組合的基礎(chǔ)上，適當(dāng)搭配苯代氨基樹(shù)脂，可以顯著改善耐水煮性能；適當(dāng)搭配封閉型異氰酸酯固化劑，可以顯著改善耐丁酮性能。

 

2.3 固化溫度對(duì)水性烤漆性能的影響

選擇用ZTC-02A樹(shù)脂，按2.2節(jié)“實(shí)驗(yàn)16”配方制備的水性烤漆02A-16，涂裝于鋁合金基材，固定固化時(shí)間為30min，考察固化溫度在120-180℃區(qū)間變化時(shí)，涂層綜合性能的影響。

 

表3 不同固化溫度下水性烤漆涂層性能對(duì)比

 

由表3可知，隨著固化溫度的逐步升高，涂層光澤度變化不明顯；重涂性呈下降趨勢(shì)；硬度呈升高趨勢(shì)；耐丁酮能力先增強(qiáng)后降低；耐水煮性能也是先增強(qiáng)后降低；T彎性能逐步下降；耐紫外性能保持不變。

 

從原理上面分析，隨著固化溫度的升高，樹(shù)脂和固化劑等成膜材料之間的活性基團(tuán)，如羥基、羧基、氨基、異氰酸根等反應(yīng)得越來(lái)越充分，從而涂層交聯(lián)的致密程度也逐步提高，所以固化溫度從120℃變化到150℃，涂層綜合性能逐步提高；而隨著溫度進(jìn)一步升高，從150℃變化到180℃，涂層綜合性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵?50℃左右，成膜物活性基團(tuán)已經(jīng)反應(yīng)得相當(dāng)充分了，再提高固化溫度的話，漆膜處于過(guò)度烘烤狀態(tài)，內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力等等的破壞，從而導(dǎo)致其綜合性能的下降。

 

總的來(lái)看，固化條件為150℃30min時(shí)，02A-16水性烤漆的涂層綜合性能最佳：光澤139°、重涂性0級(jí)、硬度4H、耐丁酮200次、耐水煮10h、T彎0T、耐紫外2000h。

 

3、 結(jié)語(yǔ)

 

選擇常規(guī)氨基樹(shù)脂（氰特303和325）為基礎(chǔ)固化劑體系，篩選確定ZTC-02A樹(shù)脂為綜合性能較優(yōu)的主體樹(shù)脂，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)選苯代氨基樹(shù)脂和封閉型異氰酸酯固化劑，發(fā)現(xiàn)：以ZTC-02A為主體樹(shù)脂，氨基比為6.5:1，苯代氨基樹(shù)脂用量為2%、封閉性異氰酸酯固化劑添加量為7%，制備出的水性烤漆，涂裝于鋁合金（厚度≈0.8mm）基材，150℃30min的固化條件下，涂層綜合性能最優(yōu)。

 

隨著水性涂料市場(chǎng)需求的不斷增加，對(duì)水性涂料的要求也越來(lái)越高，力爭(zhēng)做到與油性產(chǎn)品媲美，作為水性涂料核心成膜物的水性樹(shù)脂材料，更應(yīng)該持續(xù)減少有害物質(zhì)的含量、提升優(yōu)異的性能，為水性涂料產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。