【中國(guó)涂料采購(gòu)網(wǎng)】0·引言

　　VOC是繼汽車(chē)尾氣排放及煙霧之后的第三大空氣污染源，是PM2.5的主要來(lái)源。傳統(tǒng)汽車(chē)修補(bǔ)漆中，底色漆是汽車(chē)涂料工業(yè)VOC排放的主要來(lái)源之一，底色漆的水性化可以大大降低VOC的排放[1]。

　　水性汽車(chē)底色漆初期是以水性丙烯酸乳液為主要成膜物質(zhì)，具有成本低、干燥快等優(yōu)點(diǎn)，但由于水性丙烯酸乳液自身的原因，所制備的色漆側(cè)面帶藍(lán)光或白光，不宜調(diào)色，無(wú)法滿(mǎn)足修補(bǔ)漆快速調(diào)色的要求。同時(shí)水性丙烯酸乳液含大量親水基團(tuán)，耐水性差。相比之下，水性聚氨酯底色漆干濕涂膜顏色差異小，不同噴涂技術(shù)對(duì)顏色效果影響小，遮蓋力強(qiáng)，涂裝效率高。本文研究如何制備不同顏色、熱貯存穩(wěn)定性好、干濕涂膜顏色差異小、施工性能好的水性聚氨酯汽車(chē)修補(bǔ)底色漆。

　　1·試驗(yàn)部分

　　1.1試驗(yàn)原料

　　水性聚氨酯分散體：德國(guó)拜耳公司;水性潤(rùn)濕劑、水性消泡劑：德國(guó)BYK公司;乙二醇丁醚、氨水、三乙胺(TEA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、各種顏料：市售;去離子水：自制。

　　1.2色漿研磨及色漆制備工藝

　　中等轉(zhuǎn)速下，分別加入去離子水、分散劑、潤(rùn)濕劑、消泡劑，分散均勻，提高轉(zhuǎn)速，加入顏料，高速分散30~40min至均勻狀態(tài)，然后用砂磨機(jī)研磨至細(xì)度合格。色漿研磨合格后，加入水性色漆基料稀釋至合適粉含，并添加適量去離子水調(diào)節(jié)黏度，補(bǔ)加剩余部分潤(rùn)濕劑、消泡劑，加入助溶劑及水性CAB溶液，最后添加適量pH調(diào)節(jié)劑，充分分散20~30min，制得水性聚氨酯汽車(chē)修補(bǔ)實(shí)色漆。圖1為色漆制備工藝流程圖。

　　1.3不同顏料水性色漿制備基礎(chǔ)配方

　　無(wú)機(jī)顏料吸油值較低，比表面積較小，分散較容易，可進(jìn)行高粉含色漿研磨。有機(jī)顏料比表面積較大，吸油值高，不易分散，研磨色漿粉含較低[2-3]。表1為代表性顏料研磨色漿配方。

　　1.4修補(bǔ)用水性色漆施工工藝

　　在所制色漆中加入40%~50%自制稀料，調(diào)整施工黏度至20~30s(涂-4杯)，調(diào)節(jié)噴槍氣壓為0.18MPa左右，噴涂距離為10~20cm，噴涂2~3道，每道閃干約5min，然后“濕碰濕”罩溶劑型2KPU清漆。

　　2·結(jié)果與討論

　　2.1顏料類(lèi)型與色漿研磨關(guān)系

　　由表1可以看出，研磨不同顏料時(shí)粉含差異較大，分散劑添加量相差也較大。研磨粉含及分散劑用量與顏料類(lèi)型密切相關(guān)。表1中二氧化鈦、環(huán)保檸檬黃為無(wú)機(jī)顏料，彩度偏低，遮蓋力較差，但容易分散，故研磨色漿粉含較高，其中二氧化鈦為60%，環(huán)保檸檬黃為55%，分散劑添加量一般占顏料含量的0.01~0.11。透明氧化鐵黃是無(wú)機(jī)顏料，同時(shí)又是納米顏料，比表面積遠(yuǎn)高于二氧化鈦，故研磨色漿粉含較低(30%)，分散劑/顏料質(zhì)量比為0.3~0.8。有機(jī)黃、酞菁顏料、鮮栗紅、炭黑等有機(jī)顏料比表面積大，不易分散，故研磨色漿粉含較低(25%左右)，分散劑添加量遠(yuǎn)高于二氧化鈦等無(wú)機(jī)顏料用分散劑量，分散劑/顏料質(zhì)量比一般為0.3~0.8，其中炭黑分散劑/顏料質(zhì)量比高至1.0~2.0。

　　2.2分散劑對(duì)色漿性能影響

　　不同顏料本身顆粒表面結(jié)構(gòu)差異較大，因此各種助劑所發(fā)生的效力也就有差異。制備穩(wěn)定色漿的關(guān)鍵在于針對(duì)各類(lèi)顏料的表面性質(zhì)差異而選用合適分散劑類(lèi)型及用量，然后經(jīng)恰當(dāng)?shù)姆稚⒀心スに囍频觅|(zhì)量上乘的色漿。

　　2.2.1分散劑類(lèi)型選擇

　　試驗(yàn)中選用的是高相對(duì)分子質(zhì)量分散劑，該類(lèi)型分散劑分子結(jié)構(gòu)主要由2部分組成，一部分為錨式基團(tuán)，主要包括—NR2、—N+R3、—COOH、—COO-和—SO3H等極性基團(tuán)，通過(guò)離子鍵、氫鍵及范德華力等作用與顏料粒子緊密結(jié)合。另一部分為溶劑化長(zhǎng)鏈，具有足夠的碳鏈長(zhǎng)度，可以形成空間位阻效應(yīng)。通過(guò)這兩部分的協(xié)同作用，使顏料維持穩(wěn)定分散狀態(tài)[4-5]。表2為試驗(yàn)所得不同顏料最佳分散劑類(lèi)型及其主要參數(shù)。

　　如表2所列，研磨無(wú)機(jī)顏料二氧化鈦篩選出的分散劑A為含顏料親和基團(tuán)的高相對(duì)分子質(zhì)量嵌段共聚物溶液，該分散劑在水中電離產(chǎn)生異相電荷基團(tuán)，與二氧化鈦表面形成離子鍵吸附于顏料表面，借助電荷斥力以及空間位阻雙重效應(yīng)保持白色漿的穩(wěn)定性。研磨酞菁藍(lán)等有機(jī)顏料篩選出的分散劑B為含顏料親和基團(tuán)的共聚物溶液，吸附能力強(qiáng)，通過(guò)氫鍵、范德華力等作用牢固吸附于酞菁藍(lán)表面，同時(shí)該分散劑相對(duì)分子質(zhì)量大，其所含的親水基在色漿體系中延伸形成較強(qiáng)的空間位阻作用，保持酞菁藍(lán)色漿分散體系穩(wěn)定。

　　由于納米特性，透明氧化鐵黃色漿與水形成水合氧化鐵，導(dǎo)致色漿在貯存過(guò)程中透明性嚴(yán)重下降，黏度升高直至凝膠[6-8]。試驗(yàn)篩選的分散劑C為含高顏料親和基團(tuán)的改性聚醚，離子強(qiáng)度低，遠(yuǎn)離等電點(diǎn)，可以有效抑制水合氧化鐵的形成。故制備的色漆透明性好，彩度高，長(zhǎng)時(shí)間貯存過(guò)程中透明度無(wú)明顯下降，不發(fā)生凝膠絮凝，與其他色漆及金屬閃光漆調(diào)色后亦具有良好的貯存穩(wěn)定性。

　　2.2.2分散劑用量對(duì)色漆穩(wěn)定性影響

　　以研磨酞菁藍(lán)為例分析分散劑添加量對(duì)色漆顏色及貯存穩(wěn)定性影響。如表3所列，添加量偏低時(shí)，色漆不能很好地展色，且在貯存過(guò)程中出現(xiàn)返粗;添加量過(guò)高時(shí)，顏色較好，但色漆貯存穩(wěn)定性差，出現(xiàn)分層、絮凝等現(xiàn)象。這是因?yàn)樘妓{(lán)表面包含較多活性吸附中心，分散劑通過(guò)活性吸附中心穩(wěn)定吸附于顏料表面，形成較厚吸附層。添加量偏低時(shí)，顏料表面不能形成完整吸附層，未被分散劑覆蓋的顏料表面為減少表面能量發(fā)生聚集，從而導(dǎo)致色漆穩(wěn)定性差，引起返粗、遮蓋力降低、黏度升高等問(wèn)題。分散劑添加量過(guò)高時(shí)，過(guò)量分散劑游離于體系中，容易與已吸附于顏料表面的分散劑發(fā)生纏結(jié)，使分散劑從顏料表面脫落，導(dǎo)致顏料顆粒返粗，產(chǎn)生絮凝，降低貯存穩(wěn)定性。只有當(dāng)分散劑用量為最佳時(shí)，才能在顏料表面形成合適的穩(wěn)定吸附層，產(chǎn)生足夠的位能阻止粒子重新團(tuán)聚，從而使體系具有最佳的穩(wěn)定性。不同顏料分散劑最佳用量如表4所列。

　　2.3制備工藝對(duì)色漿穩(wěn)定性影響

　　水性色漿制備關(guān)鍵在于使顏料均勻懸浮于水相體系中，即利用機(jī)械攪拌將顏料從聚集體狀態(tài)解聚成初始顆粒狀態(tài)，均勻懸浮于體系中，并且保持穩(wěn)定。色漿制備過(guò)程通常包括預(yù)分散和研磨2個(gè)步驟，預(yù)分散轉(zhuǎn)速以及研磨強(qiáng)度均對(duì)色漿穩(wěn)定性有重要影響。

　　2.3.1預(yù)分散轉(zhuǎn)速影響

　　在預(yù)分散過(guò)程中，分散助劑和顏料時(shí)需要選擇不同的轉(zhuǎn)速。將各種助劑加入到去離子水中后，添加顏料之前，稱(chēng)為預(yù)分散第1階段，該分散階段一方面使各種助劑均勻混合，另一方面對(duì)部分助劑起到乳化分散的作用，轉(zhuǎn)速太低，分散劑等助劑不能被均勻分散，影響顏料潤(rùn)濕及分散，最終影響色漆貯存穩(wěn)定性;轉(zhuǎn)速過(guò)高則會(huì)混入大量空氣，產(chǎn)生大量氣泡，并且增加能耗，因此該階段轉(zhuǎn)速采用中速(1000r/min左右)。顏料添加完畢后(預(yù)分散第2階段)，為使顏料能被較快地帶入體系并充分分散，適當(dāng)提高分散轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)速過(guò)高容易造成體系湍流從而影響分散效果，試驗(yàn)中研磨高粉含色漿時(shí)轉(zhuǎn)速保持2500r/min左右，研磨較低粉含時(shí)采用1800r/min左右轉(zhuǎn)速。

　　2.3.2研磨次數(shù)影響

　　為使顏料穩(wěn)定地分散在體系中，預(yù)分散之后需要使用砂磨機(jī)進(jìn)一步研磨色漿，使其細(xì)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。隨著研磨次數(shù)增加，顏料粒徑逐漸變小，貯存穩(wěn)定性相應(yīng)提高，當(dāng)顏料粒徑降至一定程度后，新生顆粒強(qiáng)大的表面能會(huì)使顏料重新團(tuán)聚，此時(shí)研磨設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械粉碎力一部分將用于阻止顆粒重新團(tuán)聚，能耗增加但研磨效果基本不變。試驗(yàn)中設(shè)定的色漿細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)為10μm，該粒徑顏料可充分使實(shí)色顏料展色，透明性顏料表現(xiàn)高透明度，且在貯存過(guò)程中細(xì)度、顏色、透明性等保持不變。當(dāng)色漿研磨至10μm后即停止研磨，進(jìn)行下一步驟。

　　2.4水性聚氨酯實(shí)色漆制備

　　2.4.1顏基比對(duì)色漆性能的影響

　　涂料中主要成膜物質(zhì)又被稱(chēng)為基料，其作用是將涂料中的其他組分黏結(jié)成一整體，附著在被涂基層表面，干燥固化形成均勻連續(xù)堅(jiān)韌的保護(hù)膜?；蠈?duì)涂膜硬度、柔韌性、耐磨性、耐沖擊性、耐水性、耐候性及其他物理化學(xué)性能起到?jīng)Q定性作用。試驗(yàn)中選用的聚氨酯分散體為脂肪族聚碳酸酯改性聚氨酯，利用其制備的色漆基料顏色淺、透明度高、不帶藍(lán)光，對(duì)快速調(diào)色無(wú)不良影響，可滿(mǎn)足修補(bǔ)漆市場(chǎng)快速調(diào)色的要求。不同顏料顏基比如表4所列。

　　2.4.2中和劑類(lèi)型及體系pH選擇

　　水性涂料中常用的中和劑有氨水、三乙胺(TEA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、2-氨基甲基-1-丙醇(AMP-95)等，選擇中和劑主要考慮其揮發(fā)性及堿性強(qiáng)弱。氨水揮發(fā)速度過(guò)快，容易造成體系不穩(wěn)定，另一方面氨水中和的樹(shù)脂對(duì)顏料潤(rùn)濕性差，故不選用氨水。TEA常溫穩(wěn)定，但在高溫貯存條件下易揮發(fā)，適用于常溫干燥涂料。本試驗(yàn)考慮色漆在50℃條件下的貯存穩(wěn)定性，故采用DMEA作為中和劑。

　　制備色漆時(shí)，添加中和劑調(diào)節(jié)體系pH，除了納米材料的透明氧化鐵外，大部分顏料色漆在pH為8.0~8.5范圍內(nèi)色漆貯存穩(wěn)定性最佳，而透明氧化鐵在堿性體系中加速生成水合氧化鐵，不利于色漆貯存，當(dāng)降低體系pH至7.0左右時(shí)，制備的色漆彩度高、透明性好，貯存過(guò)程中基本保持不變，故調(diào)節(jié)透明氧化鐵黃色漆pH至7.0左右。

　　2.5施工工藝

　　施工方式采用手工空氣噴涂。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的底色漆可以參照溶劑型汽車(chē)修補(bǔ)底色漆施工工藝，控制噴涂氣壓為0.18MPa左右，噴涂2~3道，每道約閃干5min。色漆中加入50%左右自制稀釋劑，調(diào)節(jié)施工黏度為30s(涂-4杯)左右，施工溫度控制在15~35℃之間，相對(duì)濕度30%~70%。水性聚氨酯底色漆性能指標(biāo)如表5所列。

　　3·結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)研磨不同顏料分散劑類(lèi)型及用量、研磨工藝、顏基比及體系pH選擇，對(duì)汽車(chē)修補(bǔ)用水性聚氨酯底色漆進(jìn)行了研究，結(jié)果如下：

　　1)二氧化鈦?zhàn)罴逊稚?顏料質(zhì)量比為0.02，環(huán)保檸檬黃為0.05，酞菁藍(lán)等有機(jī)顏料為0.3~0.5，炭黑為1.5。

　　2)選用高相對(duì)分子質(zhì)量分散劑C，調(diào)節(jié)體系pH至7.0左右，可有效抑制透明氧化鐵黃與水形成水合氧化鐵，貯存過(guò)程中保持透明性、黏度及穩(wěn)定性不變。

　　3)顏料添加前預(yù)分散階段采用1000r/min中速，添加顏料后采用1800~2000r/min高速，色漿研磨至10μm后即停止研磨，所制備色漿能耗低、穩(wěn)定性好。

　　4)所制備色漆施工性好，漆膜干燥速度快，漆膜厚度、硬度及柔韌性好，干濕漆膜顏色差異小，滿(mǎn)足快速調(diào)色要求，具有良好的使用價(jià)值及產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)前景。