电梯门板用水性金属闪光面漆的制备
2021-07-19 09:48 浏览:203
电梯门板用水性金属闪光面漆的制备
许昭展，姚 煌*，张 红，禹汉文，许奕祥 （ 广州擎天材料科技有限公司，广东广州 510860）
0 引言
电梯门板的主要材质是碳钢材料，其涂装的主要目的在于提高门板的防护性和装饰性。电梯门板涂装的电泳底漆已能满足门板的防腐蚀性能要求，门板的装饰性和防护性则需要依靠面漆来实现。金属闪光漆自问世以来，除了能够提供着色、防护、遮盖的作用外，金属颜料的随角异色性能够产生梦幻般的感觉，使涂膜富有金属质感、细腻柔和的效果而倍受青睐。溶剂型金属闪光漆是VOC（挥发性有机化合物）排放的大来源之一，其施工固体分只有15%，溶剂含量高达85%。如改用水性金属闪光漆，则涂层VOC 排放可减少80% 以上，所以加快金属闪光漆的水性化势在必行，同时要求水性金属闪光漆的性能必须与溶剂型金属闪光漆相媲美。
本研究针对电梯涂装行业的涂装特点和技术要求，制备了一种电梯门板用水性金属闪光漆，并对配方中的主体树脂体系、固化剂、铝粉颜料用量、涂料体系pH 和聚酰胺蜡助剂进行研究，考察这些因素对水性金属闪光漆及其漆膜性能的影响。
1 试验部分
1.1 原材料
水性改性羟基丙烯酸分散体A，广州产协；水性羟基丙烯酸酯树脂B，德国拜耳；高亚氨基三聚氰胺甲醛树脂，英力士；N，N- 二甲基乙醇胺，力德士化工；异丙醇、丙二醇丁醚，韩国LG 化学；聚酰胺蜡助剂（AQ800），帝斯巴隆；防沉剂（气相二氧化硅），瓦克化学；水性铝银粉，国产；润湿剂，毕克化学；流平剂，海明斯德谦；防闪锈剂（FA179），海明斯德谦；消泡剂，迪高化学；增稠剂（PS-166），宁柏迪；增稠剂（0620），美国OMG ；增稠剂（U604 和U605），万华化学；增稠剂（HV30），汽巴；增稠剂（R150），海名斯德谦；防霉杀菌剂（Kathon® LXE），罗门哈斯；透明色浆，广州科迪；去离子水。
1.2 主要仪器设备
电子天平（JH-1102），上海精科分析仪器厂；电热鼓风式烘箱（101A-1B），上海实验仪器厂有限公司；高速分散机（CF-2200），广东省东莞市环鑫设备有限公司；摆杆硬度仪（QBY-Ⅱ），上海隆拓仪器设备有限公司；铅笔硬度测试仪（PPH-I），北京中西泰安技术服务有限公司；漆膜冲击器（QCJ 型），天津永利达材料试验机有限公司；柔韧性测试仪（QTX），上海安锐自动化仪表有限公司；附着力测试仪（QFZ-Ⅱ型），天津市科联材料试验机厂；恒温水浴槽（BILON-HW-10），天津比朗实验仪器制造有限公司；60° 光泽仪（WGG60-E4），上海精密仪器仪表有限公司；旋转黏度计（BGD），标格达。
1.3 水性金属闪光漆的制备
1.3 水性金属闪光漆的制备
1.3.1 水性铝银浆的制备
先将配方量（表1）的助溶剂、铝粉定向排列助剂加入搅拌罐内，移至高速搅拌机下，将搅拌速度控制在1 500~2 000 r/min 下分散，分散均匀后将搅拌速度降至300~1 000 r/min，在搅拌条件下添加铝粉，分散10~30 min，用N，N- 二甲基乙醇胺将pH 调至7.5~8.0。搅拌均匀后让其静置1~2 h，使水性金属铝粉充分浸泡润湿，即得水性铝银浆。
1.3.2 水性清漆的制备
将水性改性羟基丙烯酸分散体A 和水性羟基丙烯酸酯树脂B 加入到搅拌罐内，并移至高速搅拌机下，先将转速调至1 000~1 500 r/min，边搅拌边依次加入配方量的润湿流平剂、防闪锈剂、防霉杀菌剂，并将其分散均匀，然后将转速调至1 500~2 500 r/min，添加消泡剂，后按照生产配方量加入固化剂水性氨基树脂和增稠剂，高速分散10~30 min，用N，N- 二甲基乙醇胺将体系pH 调至7.5~8.0，即制得水性清漆，整个过程的助剂添加流量控制在3 000~4 000 mL/min之间。水性清漆配方见表2。
1.3.3 水性金属闪光漆的制备
按配方总量称取水性清漆加入到搅拌罐内，并移至高速搅拌机下，将转速调至500~1 000 r/min，边搅拌边加入水性铝银浆，分散15~30 min，根据实际样板颜色，加入透明颜料色浆进行调色，后用200~300 目滤网过滤，即制得水性金属闪光漆。水性金属闪光漆的生产工艺较一般水性实色涂料的生产工艺有所不同，其生产工艺流程如图1 所示。
1.4 性能测试
电梯门板用水性金属闪光漆的主要性能指标见表3。
2.1 树脂的选择对漆膜性能的影响
水性金属闪光漆对漆膜的性能要求比较严格，树脂的选择直接影响金属闪光漆漆膜的各项物化性能和独特的闪光效果。根据水性树脂的外观和粒径可以将其分为：澄清透明的水溶性树脂（粒径<0.001 μm）；半透明的水分散体树脂（0.001 μm< 粒径<0.1 μm）和乳白色的乳液树脂（粒径>0.1 μm）。针对水性金属闪光漆，要求选择的树脂体系具有酸值低、透明度好、对铝粉颜料润湿亲和性佳和耐候性优异等特点。试验选用4 种光泽高、保光保色性佳的水溶性丙烯酸树脂和水性丙烯酸分散体树脂制备水性金属闪光漆，其性能比较见表4。
由表4 可知：4 种型号的树脂制备的水性金属闪光漆各有优缺点：1 号树脂制备的水性金属闪光漆漆膜硬度高，光泽高，丰满度好，耐水性优，但是柔韧性和耐冲击性较差；2 号树脂制备的水性金属闪光漆漆膜耐冲击性也较差，相比于1 号树脂，其硬度、光泽和耐水性稍差，但是丰满度好，柔韧性佳；3、4号树脂制备的水性金属闪光漆漆膜耐冲击性和柔韧性较1、2 号树脂好，但漆膜的丰满度较差，且3 号树脂所得漆膜的耐水性测试出现起泡、失光现象。由于水性金属闪光漆对漆膜硬度要求较高，所以选择将1 号树脂与柔韧性和综合性能较好的4 号树脂进行混拼。试验结果表明，作为主体的1 号树脂与一定量的4 号树脂混拼后制备的金属闪光漆，其漆膜柔韧性得到明显改善，其他性能所受影响也较小；另外，1 号树脂属于水溶性体系，树脂本身含有一定量的极性溶剂，对其后期配漆的体系触变性无需调整，加入4 号树脂后，其体系触变性也得到明显改善，这可提高水性金属闪光漆的贮存稳定性和施工性。
2.2 固化剂的选择对漆膜性能的影响
2.2 固化剂的选择对漆膜性能的影响
固化剂的活性基团能够与丙烯酸树脂中的羟基、羧基发生交联反应，在树脂与固化剂的配比适当时，形成网状交联结构，使得漆膜性能满足技术要求。固化剂的反应活性和固化温度的选择直接影响到漆膜的交联密度，从而影响水性金属闪光漆的漆膜性能。针对本试验所选择的树脂体系，对比了几种固化剂对漆膜性能的影响，结果见表5。
由表5 可见：封闭型多异氰酸酯D2 在160℃ ×20 min 的固化条件下，未能完全解封，不能够充分参与交联固化反应，漆膜综合性能不够理想，且价格较高；全甲醚化氨基树脂DS-27 在温度低于160℃条件下，漆膜固化不完全，添加酸类催干剂可在一定程度上降低固化温度，但是酸催化剂本身不参与反应，残留在表面的催化剂对漆膜的耐湿热性及耐水性存在致命影响，因此不适合于该温度下的交联固化反应；部分甲醚化氨基树脂DS-07 含有活性较高的羟甲基基团，易发生自缩合倾向，因此用量较大；高亚氨基三聚氰胺甲醛树脂DS-38，在烘烤温度高于125℃时，随着氨中和剂的挥发，体系呈酸性，且由于添加了含磷类的密着剂，在此温度下具有较好的交联固化反应。
综上所述，本试验选择高亚氨基三聚氰胺甲醛树脂DS-38 作为交联固化剂，漆膜具有良好的综合性能。
综上所述，本试验选择高亚氨基三聚氰胺甲醛树脂DS-38 作为交联固化剂，漆膜具有良好的综合性能。
为了进一步检验所选择的高亚氨基三聚氰胺甲醛树脂DS-38 交联剂与树脂是否固化完全，通过差示扫描量热分析（DSC）对135℃×30 min 与160℃×20 min 两种不同固化条件下的漆膜进行分析，结果见图2。
由图2 可见：DSC 曲线平滑、无突变，这表明两种固化条件下获得的漆膜中均未发现热塑性物质，从而进一步证明本产品选择的高亚氨基三聚氰胺甲醛树脂DS-38 在135℃×20 min 的固化条件下已发生较好的交联反应，从而保证漆膜具有良好的机械性能，优异的耐湿热性和耐水性。
2.3 铝粉用量对漆膜性能的影响
铝粉颜料的用量并非越多越好，必须根据铝粉颜料自身的粒径和闪光效果确定其用量。铝粉的用量必须能够遮盖底材，但又不能相互堆积，这样才能发挥铝粉本身的金属闪光特性。在配方体系相同的条件下，水性铝粉的用量对金属闪光漆性能的影响如表6 所示。
2.4 pH 对水性金属闪光漆的影响
生产水性涂料时，主体系的pH 存在一个合理的范围，原色浆与基础漆的pH 相差太大，容易出现色浆返粗、颜料析出问题，影响涂料产品的性能。在生产水性金属闪光漆的过程中，更加需要注意主体系pH 的控制，因为金属颜料铝粉属于两性金属，长期存放在过酸、过碱的水性体系中，铝粉颜料容易变性，产生氢气，其析氢反应机理如下：
酸性环境：2Al+6H+ → 2Al3++3H2↑；
碱性环境：2Al+2OH-+2H2O → 2AlO-+3H2↑。
析氢反应会导致涂料产品在运输和贮存过程中出现胀桶，而且铝粉颜料表面容易发黑，影响漆膜的金属质感。水性金属铝粉在中性或者弱碱性环境中贮存比较稳定。测试铝粉颜料在不同pH 下的胀气情况，结果如图3 所示。
由图3 可见：整个涂料体系pH 在7~7.5 时，铝粉的稳定性好，此时铝粉表面不易发生任何反应。但是由于1 号主体树脂属于水溶性体系，水溶原理是树脂中的羟基、羧基、酰胺基等亲水基团通过加入胺类中和剂来达到水溶状态，此时的pH 会导致树脂的水溶性不够，容易出现树脂与水分层的情况；涂料体系的pH 约为8 时，铝粉的稳定性、树脂的水溶性、体系的稳定性达到统一，满足性能要求；整个涂料体系的pH<7 或者>8.5 时，会出现严重的胀气现象，同时铝粉颜料表面会发黑，影响涂料的贮存性和施工装饰性。
2.5 定向排列助剂对水性金属闪光漆的影响
在水性金属闪光漆中，水性铝粉颜料平行于底材表面的定向排列对其外观装饰性相当重要。因水的蒸发潜热大，挥发较慢，到达工件表面时湿涂膜中水的含量仍然较高，铝粉很容易活动而使其定向性变差，因此，水性金属闪光漆中铝粉的定向排列控制也是其制备的关键技术之一。聚酰胺蜡助剂中含有丰富的羟基和酰胺基，能产生强烈的氢键作用，形成网络状结构，从而提高体系黏度来达到防沉和防流挂的目的，同时它的膨润结构有非常高的强度，耐热性、贮存稳定性佳。由于它是完全膨润膏状物，只需在常温下搅拌即可容易地分散，且发挥其优异的防沉、防流挂功能。当有外来应力施加时，网络结构就破碎成单个的针状独立结构；当外来应力或剪切力消失时，它们又重新形成一个缠绕的网络结构。因此，聚酰胺蜡助剂对涂料中铝粉颜料的防沉降、提高定向性方面可发挥极佳的效果。本试验考察了聚酰胺蜡助剂AQ800 的用量对水性金属闪光漆性能的影响，结果如表7 所示。
由表7 可见：添加聚酰胺蜡助剂AQ800 后，水性铝粉的定向排列性变好，水性金属闪光漆的闪光性能有了较为明显的提高，但是AQ800 的用量并非越大越好，其用量过大时，会使漆膜变脆，耐冲击性和附着力下降，光泽和丰满度也受到一定影响。终确定AQ800 用量为不超过配方总量的6%。
3 结语
通过对水性金属闪光漆配方中的主体树脂体系、固化剂、铝粉颜料用量、涂料体系pH 和聚酰胺蜡助剂用量进行研究，制备了一种专门用于电梯门板涂装的水性金属闪光面漆。试验结果表明：选择水溶性1 号树脂作为主体树脂，拼用水分散体4 号树脂，水性金属闪光漆漆膜在满足硬度要求的同时，其柔韧性得到明显改善，且其贮存稳定性和施工性得到明显改善。选择高亚氨基三聚氰胺甲醛树脂作为交联固化剂，水性铝粉用量为7%，聚酰胺蜡助剂AQ800 占配方总量的6%，pH 约为8 时，制备的水性金属闪光漆体系的物化性能和装饰性达到佳统一。