耐高温水性金属闪光烘烤漆的制备与性能研究
陈中华1,2，洪婷1
（1.华南理工大学材料科学与工程学院，广州510640；2.广州集泰化工有限公司，广州510520）
从表3 可以看到，在相同的烘烤条件下，水性饱和聚酯树脂POL-274 涂膜的透明性好、硬度高、耐湿热性较好，但耐冲击性和柔韧性相对较差，且POL-274的涂膜光泽度较差；水性饱和聚酯树脂W-50 涂膜有较好的光泽，涂膜透明性好、硬度高，但同样存在耐冲击性差的缺点，耐湿热性也较差；用水性羟基丙烯酸改性饱和聚酯树脂SZ-260 制备的水性烤漆具有较好的耐冲击性、耐湿热性以及较高的光泽度，同时试验检测证明它所制备的漆膜具有硬度高、柔韧性好、附着力强、耐盐雾好、耐碱水强的优点。
随着生活水平的不断提高，人们逐渐认识到经济发展不能以牺牲环境为代价，因而开始追寻低污染甚至无污染的工业发展模式。以石油为基础的涂料行业在资源节约上有着重要的作用，各涂料生产厂与涂料用户对涂料的原料及成品的VOC 尤为重视。传统溶剂型涂料在生产和使用过程中所释放的VOC 所产生的污染，目前排在汽车之后，列为城市主要污染源。近年来，为了适应环保和节能的要求，开发低VOC 的环保型涂料是涂料行业的发展趋势。而烘烤型水性涂料不仅符合环保无毒的要求，所得到的涂层也能表现出较好的性能，具有良好的发展前景。涂料行业发展日新月异，人们在追求优良性能的同时对涂料的装饰性以及功能性也有了更高的要求，因此具有特殊金属光泽的闪光漆逐渐受到青睐。金属闪光漆的装饰效果是由于涂料中添加了金属铝粉或珠光粉等效应颜料，光线照射后通过有规律的反射、透射和干涉，呈现出有金属光泽随角异色的闪光效果。金属闪光漆涂件不仅外表美观，并且漆膜有较强的抗腐蚀作用（耐酸碱、耐溶剂），耐热、耐磨、抗紫外线、耐候性强，因而广泛应用于家用电器、汽车、发动机、机动车钢圈等部件。
1 试验部分
1.1 主要原料及仪器
水性羟基丙烯酸改性饱和聚酯树脂SZ260：固含量65%，帝斯曼；六甲氧基甲基三聚氰胺树脂CYMEL303：固含量98%，广州卓宇；润湿剂AP-560：巴斯夫分散剂SS-1281：迪高化工；氧化铁红、氧化铁黄：拜耳；珠光粉SZ-502：深圳庄彩；消泡剂X-109：毕克化学；流平剂3580：EFKA；水性银粉定向促进剂4060：恒翔贸易；二甲基乙醇胺：德国；二乙二醇单丁醚：陶氏化学。QCJ 型漆膜冲击器、QTX 型漆膜柔韧性测定器、QHQ 型漆膜铅笔划痕硬度计：上海现代环境工程技术有限公司；JSF-400 型搅拌砂磨分散多用机：上海普申化工机械有限公司；W-71 型喷枪：日本明治公司；202-AO 型台式干燥箱：上海浦东跃欣科学仪器厂；CEEC-YW-750 型盐雾测试箱：赛宝环境试验设备中心；BGD-512 型光泽度计：广州标格达实验室仪器用品有限公司；CR-10 色差仪：日本美能达公司。
1.2 制备及施工工艺
制漆工艺分为两部分：底色漆和珠光面漆。底色漆制备工艺如下：先将水性羟基丙烯酸改性饱和聚酯树脂SZ-260、部分去离子水、适量二甲基乙醇胺混合均匀，在600 ~ 700 r/min 转速下依次滴加适量消泡剂、润湿剂和分散剂，搅拌5 ~ 10 min；再缓慢向其中添加一定比例的氧化铁红、氧化铁黄，在2 500 r/min 高速搅拌下搅拌45 min；将转速调至600 ~ 700 r/min，加入适量二乙二醇单丁醚和氨基树脂CYMEL303，搅拌10min 后加入流平剂，继续搅拌15 min。珠光漆的制备与底色漆类似，但由于珠光粉的片状结构在高速机械搅拌下容易被破坏，因而珠光粉的分散转速控制在500 ~600 r/min；另外，珠光漆中需添加水性银粉定向促进剂以促进珠光粉在涂料表面的平行排列。
施工工艺包括喷涂和烘烤，工序为：在表面处理后的底材上先喷涂底色漆，90℃下闪蒸10 min，待表面冷却后再于底色漆上喷涂珠光面漆，同样在90℃下闪蒸10 min，然后升至155℃下烘烤25 min，即得到成品。
1.3 基础配方
施工工艺包括喷涂和烘烤，工序为：在表面处理后的底材上先喷涂底色漆，90℃下闪蒸10 min，待表面冷却后再于底色漆上喷涂珠光面漆，同样在90℃下闪蒸10 min，然后升至155℃下烘烤25 min，即得到成品。
1.3 基础配方
底色漆和珠光面漆的配方设计见表1。
1.4 产品主要技术性能指标
涂料及涂层的性能指标及测试方法见表2。
2 结果与讨论
2.1 成膜树脂的选择
珠光颜料在所有树脂体系中都适用，它在水性介质中分散良好，适用于水性体系。水性氨基烤漆的成膜树脂主要有水性丙烯酸树脂、水性醇酸树脂、水性聚酯树脂以及多种改性树脂，如水性丙烯酸改性醇酸树脂、水性丙烯酸改性环氧树脂、水性有机硅改性丙烯酸树脂、水性丙烯酸改性饱和聚酯树脂。成膜树脂对于水性氨基烤漆漆膜的物理机械性能、光泽度等的影响很大，同一类型的水性树脂也可能因为制备工艺不同、生产厂家不同，导致终漆膜性能存在差异。对几种市售的水性树脂进行了比较、筛选，结果见表3。
2.2 氨基树脂固化剂的种类与用量
氨基树脂作为固化剂主要包括不同醚化种类和不同醚化度的三聚氰胺甲醛树脂，如：丁醚化三聚氰胺甲醛树脂、甲醚化三聚胺氨甲醛树脂、混醚化三聚氰胺甲醛树脂等。其中，甲醚化三聚氰胺甲醛树脂的水溶性较好，广泛应用于水性氨基烘烤漆的制备中[6]。固化剂的种类和用量对漆膜的物理机械性能、光泽度和耐高温性能有较大影响。本文对不同种类甲醚化三聚氰胺甲醛树脂进行了考察，并确定了成膜树脂与氨基树脂的添加比例，结果见表4 ~ 5。
由表4 可看出，在相同烘烤条件下，CYMEL303 和CYMEL350 的漆膜硬度和耐冲击性优于CYMEL325，原因在于前两者分别是全甲氧基化和部分甲氧基化，氨基树脂中的甲氧基（—OCH3）与成膜树脂中的羟基（—OH）在高温下发生高度交联，而这种醚交换是一种主要的固化反应。而CYMEL303 的耐高温性能优于CYMEL350，可能也是与甲氧基化程度有关，CYMEL350属于部分甲氧基化，除烷氧基外还含有一定量的羟甲基和亚氨基，后两者在高温下倾向于发生自交联。
由表5 可看出，水性丙烯酸改性饱和聚酯树脂SZ-260 与氨基树脂CYMEL303 的添加比为8∶1 时，漆膜的综合性能较优异。氨基树脂用量过多，体系中羟基含量较少，氨基树脂发生自交联，导致漆膜的柔韧性和耐冲击性变差；氨基树脂用量较少，固化反应不完全，剩余大量未反应基团，漆膜的硬度、耐高温性能变差。
2.3 珠光粉的种类与用量
云母钛珠光粉是在改性处理的白云母薄片上包覆一层TiO2 薄膜而成，是一种新型珠光颜填料。云母钛珠光粉可分为银白珠光和幻彩珠光，银白珠光粉多由单一的TiO2 多晶膜构成，TiO2 附着率为20% ～ 30%，幻彩珠光粉是通过控制氧化物粒子薄层的厚度或层次来获得，随着TiO2 附着率增加粒子薄层的集合厚度增加，颜料薄片的色相将由银白色依次转变为金、红、紫、蓝、绿色。珠光粉薄膜技术的好坏在于薄膜过程中终转化为何种相态，金红石型优于锐钛型。另外，涂料的遮盖力、漆膜的闪光效果很大程度上与珠光粉粒径有关，一般而言，粒径越大闪光效果越好，粒径越小遮盖力越好。为平衡两者的关系，本研究选择400 目（10～ 60 μm）珠光粉。因此，本研究对市售的几种该粒径的金红石型珠光粉进行了考察，探讨了珠光粉类型和添加量对漆膜性能的影响，结果见表6、图1。
由表6 可看出，添加不同类型珠光粉对应的漆膜其耐高温性能存在一定的差异，其中珠光粉红棕SZ-502 对应的漆膜耐高温性能好，经高温测试后色差ΔE 为0.20，这是因为不同颜色的珠光粉其TiO2 包覆率不同，以上3 种珠光粉的TiO2 包覆率大小依次为：红棕SZ-502＞银灰SZ-407＞默克银白100，TiO2 包覆率越大，包覆厚度越大，珠光粉的耐高温性能越好。
由图1 可以看出，漆膜的耐高温性能与涂料中珠光粉的添加量呈正比例关系，当珠光粉的添加量增至5%以上时，漆膜经耐高温测试后色差ΔE＜ 0.5。然而，珠光粉用量也不宜过大，否则颜料片排列拥挤，妨碍各自的定向排列，从而影响珠光效果，降低光泽。
由表6 可看出，添加不同类型珠光粉对应的漆膜其耐高温性能存在一定的差异，其中珠光粉红棕SZ-502 对应的漆膜耐高温性能好，经高温测试后色差ΔE 为0.20，这是因为不同颜色的珠光粉其TiO2 包覆率不同，以上3 种珠光粉的TiO2 包覆率大小依次为：红棕SZ-502＞银灰SZ-407＞默克银白100，TiO2 包覆率越大，包覆厚度越大，珠光粉的耐高温性能越好。
由图1 可以看出，漆膜的耐高温性能与涂料中珠光粉的添加量呈正比例关系，当珠光粉的添加量增至5%以上时，漆膜经耐高温测试后色差ΔE＜ 0.5。然而，珠光粉用量也不宜过大，否则颜料片排列拥挤，妨碍各自的定向排列，从而影响珠光效果，降低光泽。
2.4 珠光粉定向排列剂的选择
定向排列剂常用于添加了铝粉或珠光粉的金属闪光漆中，它的使用使得片状颜料趋于平行有序排列，可以提高遮盖率、减少闪光粉用量，使漆膜均匀美观。由于珠光粉的用量直接关系到漆膜的耐高温性能和光泽，而这两者与珠光粉用量的比例关系是相反的，因此，添加适当的定向排列剂可以促进珠光粉的平行排列，在保证耐高温性能的基础上减少珠光粉用量，从而提高漆膜光泽。在珠光粉SZ-502 添加量为3%的基础上，本研究对市售的几种水性定向排列剂进行了考察，并探讨了其佳用量，结果见表7 和图2。
由表7 和图2 可知，在珠光粉含量较少的情况下，定向排列剂的使用有利于珠光粉平行排列，从而提高漆膜的耐高温性能。其中，水性金属银粉定向排列剂4060 的定向效果佳，经高温测试色差小。这是因为它具有较大的相对分子质量以及很好的颜料分散性，使得珠光粉的流动得到控制，它还能辅助金属片定向排列，珠光粉趋于平行排列。从图2 可以看到，定向排列剂的用量关系到漆膜的光泽和耐高温性能，用量过小，其定向效果不强，漆膜耐高温性能较差，随着用量增加，耐高温性能增强，但其用量超过一定数值时，漆膜耐高温性能反而降低，而且，漆膜的光泽会随着定向排列剂的增加而呈下降趋势。
2.5 生产工艺对漆膜性能的影响
由于水和有机溶剂在性能上存在一定差异，水性涂料在涂装时易出现弊病，如水的表面张力大、颜料分散性差。而对于水性烘烤漆，通常烘烤温度高于水的沸点，涂膜中的水在高温环境下急剧沸腾易导致漆膜起泡。因此，水性烘烤漆宜采用先低温（80 ℃左右）预烘烤几min，再升至制备工艺要求的烘烤温度（150 ~ 160℃）进行烘烤。水性金属闪光漆的施工通常采用“湿碰湿”工艺，为避免底色漆和面漆之间发生互相渗透从而影响其珠光效果，好在喷涂完底色漆后先闪蒸几min，让大部分水分和助溶剂挥发，再喷涂面漆，以获得更佳的表观效果。
3 结语
1）选用水性丙烯酸改性饱和聚酯树脂SZ-260 以及甲醚化三聚氰胺甲醛树脂CYMEL303 为成膜物质，当mSZ-260 ：mCYMEL303 为8 ∶ 1，珠光粉选用红棕系列SZ-502，添加比例占总量的3%，以纤维素改性物4060 为定向排列剂，添加比例为总量的1%，此时获得的漆膜综合性能较好，尤其是耐高温性能优良。
2）施工工艺对漆膜外观有一定影响，采用低温预烘干处理可有效避免因涂料中水的沸腾而引起的漆膜起泡现象。另外，“两喷两烘”工艺可减少“湿碰湿”引起的溶剂互渗、浮花等现象，避免了珠光粉排列杂乱无章。
