水性氨基烘漆的研制

水性氨基烘漆的研制
陈剑华，陈中华，陈文君，陈海洪
（1广州安泰化学有限公司，广东广州510665；2华南理工大学科学与工程学院，广东广州510640）摘要：研制了一种水性烘漆，该烘漆采用低甲醚化氨基树脂为固化剂，烘烤温度低。

烘烤（130℃）15min 后，漆膜的60°光泽＞90，铅笔硬度为2H，耐冲击性为50kg·cm，附着力一级，可用于金属的外表面涂装。

并对影响水性烘漆性能的多种因素进行了分析，结果表明：选择合适的乳液、羟基树脂及固化剂是制备高性能水性烘漆的关键。

关键词：水性氨基烤漆；乳液型丙烯酸树脂；三聚氰胺固化剂
氨基烘漆是常用的工业漆，以氨基醇酸烘漆[1-3]为主要品种，很多烘烤的金属制品都是用氨基烘漆来达到保护和装饰的作用。

传统的氨基烘漆价格便宜、涂膜光亮、坚硬、附着力强，广泛应用于机械制造、机电和五金等行业，但烘烤温度高、干燥时间长、能耗大，快干型氨基烘漆虽然有几十年的生产历史，但韧性较差、储存期短[1]。

随着人们生活水平的提高，环境保护意识的加强及有机挥发物排放量的严格规定，环境友好型的涂料产品也越来越被人们重视，氨基烘漆的水性化研究及产品也越来越多。

本研究通过选取合适的乳液、羟基树脂及氨基树脂，制备了能用于金属表面涂装、光泽高、附着力好、机械性能优异的水性氨基烤漆，并对影响漆膜性能的多种因素进行了探讨。

1实验部分
1.1实验原料
水性羟基丙烯酸乳液A（固含44%，上海），水性羟基丙烯酸乳液B（固含45%，北京），水性羟基丙烯酸乳液C（固含40%，深圳），水性羟基丙烯酸乳液D（固含48%，佛山），羟基树脂A（固含55%，佛山），羟基树脂B（固含55%，顺德），羟基树脂C（固含55%，广州），羟基树脂D（固含50%，顺德），低甲醚化氨基树脂A（固含83%，英力士），低甲醚化氨基树脂B（固含74%，巴斯夫），钛白T1（科美基），钛白T2（KEEMCGEE），消泡剂（德固赛），增稠剂（德谦），流平剂（埃夫卡），二乙二醇单丁醚（陶氏化学）。

1.2实验设备及仪器
DSC 204F1，NETZSCH；NDJ-1型旋转粘度计，上海安德仪器设备有限公司；QBY型计数摆式硬度计，天津市精科材料试验机厂；QCJ型漆膜冲击器、QTX型漆膜柔韧性测定器、QFH型划格器，上海现代环境工程技术研究所；WGG60－E3光泽度计，科仕佳光电仪器研究所；CZ-90A型精密型盐水喷雾实验机，东莞众志检测设备有限公司。

1.3涂料基本配方
1.4涂料的制备
将部分水性羟基丙烯酸乳液、胺调节剂、防闪锈剂、钛白加入容器内，高速分散至细度达到30微米以下，
制成浆料，再将剩余的水性羟基丙烯酸乳液、水稀释性羟基树脂、甲醚化三聚氰胺树脂、水、助溶剂及助剂加入浆料中，充分搅拌，最后调节粘度，即得产品。

1.5主要性能测试方法
涂料及涂层的性能测试方法如表2所示。

2结果与讨论
2.1乳液的选择
由于氨基树脂单独成膜显脆性，不具有实用性，通常需要选择一个更柔韧的树脂来补偿，特别是用于金属件的涂装，在成膜树脂的选择上，要求成膜树脂应具有优异的柔韧性和对金属底材的附着力。

对市售的四个厂家的羟基丙烯酸乳液进行了比较，考察了四种乳液的外观、稳定性和涂膜性能，结果列于表3中。

由表3可知，乳液A效果较好，气味合适，机械稳定性好，漆膜光泽高，耐冲击性能、柔韧性和附着力好；乳液B机械稳定性好，漆膜耐冲击性能、柔韧性和附着力好，但气味异常；乳液C气味合适，机械稳定性好，漆膜耐冲击性能、柔韧性和附着力好，但光泽较低；乳液D机械稳定性差，不满足制备工艺要求。

因此，选择乳液A作为水性烘漆的主要成膜物质。

对丙烯酸乳液A进行了DSC测试，DSC曲线如下，见图1。

对丙烯酸乳液A进行了DSC测试，从图1中可以看出玻璃化转变起始温度Tig为-1.4℃；中点温度Tmg为15.6℃；拐点： 23.4℃；终止温度Teg 为32.8℃。

该丙烯酸乳液的玻璃化温度在 15℃左右，在不加羟基树脂改性剂及氨基树脂固化剂的情况下，
常温干燥，漆膜能够形成完整连续的涂膜，具有理想的干燥性能。

2.2羟基树脂的选择
要通过不同水性聚合物的共混来改善水性漆的性能，聚合物之间必须具有良好的相容性。

为此，研究了羟基树脂和丙烯酸乳液的相容性，为获得稳定性好的涂料，羟基树脂与丙烯酸乳液必需具有良好的相容性，涂膜要完全透明，且长期放置后不能有树脂析出。

选择了市面上几种羟基树脂，与丙烯酸乳液A的相容性测试结果如下，见表4。

羟基树脂的用量直接影响了漆膜的物理性能和交联密度，进一步考察了羟基树脂用量对漆膜性能的影响。

测试结果列于表5。

从表5可知，当羟基树脂A占成膜树脂总量的16.7%时，涂膜具有优异的性能，改性剂的加入提高了漆膜的光泽、硬度、耐乙
醇性和耐水性。

随着改性剂的加入，光泽的提高不再明显，甚至产生下降，可能原因在于过多的改性剂使微观乳胶粒子分布状态发生变化，导致光泽下降。

日本学者认为[4，5]，分子量较小和含有较多亲水基团的羟基树脂对颜料有较好的分散作用，对乳液有较好的稳定作用，成膜时能填充乳胶粒之间的空隙，因而提高了涂膜的致密性和耐水性。

由乳液制备的有色涂膜，表面会十分粗糙，平整性差，加入羟基树脂能够改善涂膜的平整性，同时颜料粒子可以得到更好的分散，因此可以改善涂膜的平整性和光泽。

过多的
改性剂对冲击也产生不良影响，原因可能在于：一方面高羟值的树脂加入提高了漆膜的交联密度，导致冲击性能下降；另一方面，体系引入了玻璃化温度相对较高的改性剂，导致冲击性能下降。

对含不同用量的羟基树脂的透明膜进行了DSC测试，结果如图2 所示。

DSC测定结果表明，经高温干燥后，透明膜Tg高于丙烯酸乳液A的玻璃化温度（15℃），随着羟基树脂用量的增加，透明膜的玻璃化温度和硬度提高。

可能原因在于：①羟基树脂含有的交联基团-COOH和-OH 高于丙烯酸乳液，交联基团含量越高，涂膜的交联密度越大，因而涂膜的玻璃化温度越高，硬度也越大；
②-COOH对交联反应具有催化作用，其含量越高，交联反应越快，涂膜的交联密度越大，因而涂膜的玻璃化温度越高，硬度也越大；③羟基树脂属于水稀释性树脂，分子量小，在水中的分散性好，和固化剂氨基树脂的相容性好，有利于交联。

2.3氨基树脂固化剂的选择
甲醚化三聚氰胺树脂广泛用于水性氨基烤漆的制备[6]，固化剂的醚化程度和用量对漆膜性能有较大的影响。

为获得中低温烘烤固化的涂层，本文选用低甲醚化氨基树脂固化剂，考察了两种牌号的低甲醚化氨基树脂固化剂对漆膜性能的影响，并确定了最佳的用量，结果列于表6和表7。

从表6可以看出用低甲醚化的氨基树脂B固化后的漆膜具有优异的耐冲击性能和附着力，但光泽不如低
甲醚化的氨基树脂 A，同时，氨基树脂固化剂A的固含较高，能够制备固体含量更高的涂料，且挥发物含量小。

因此，选择氨基树脂固化剂A更合适。

由于低甲醚化氨基树脂固化后形成的涂膜具有优异的耐乙醇性和光泽，进一步考察了固化剂的用量对漆膜性能的影响，从表7 可以看出固化剂与成膜树脂的质量比为1：4时漆膜具有较好的综合性能，固化剂用量过多，漆膜的耐冲击性能、附着力降低；用量过少，漆膜的耐乙醇性、光泽、硬度都降低。

2.4颜料的选择及用量的影响
钛白是普遍用到的白色颜料，具有白颜料中最高的折光指数，用于各种体系中能显示出最佳的遮盖力或不透明度[7]。

钛白的种类和用量直接影响了漆膜的外观、遮盖力和机械性能，要制备性能优异、遮盖力良好的丙烯酸氨基烘漆，颜料的选用非常重要。

本文考察了不同厂家不同牌号的金红石型钛白对漆膜性能的影响，结果列于表8和表9。

结果表明，用钛白粉T1制备的漆膜具有更加优异耐冲击性和光泽，颜料体积浓度为18%时，漆膜具有合适的光泽、较好的遮盖力和优异的耐水性；随着颜料体积浓度的增大，光泽明显下降，但有较好的遮盖力；随着颜料体积浓度的减小，光泽不断上升，但遮盖力和耐水性明显变差。

2.5助剂的选择
2.5.1消泡剂的选择及用量
在水性涂料的生产和施工中，空气将不可避免地分散在涂料液体中而形成泡沫，对于容易产生泡沫的体系，要加入泡沫控制助剂。

泡沫控制助剂有消泡剂和抑泡剂，消泡剂可分为脱泡型和破泡型两类。

脱泡型消泡剂能发挥聚集泡中空气的能效，破泡型消泡剂能迅速破坏体系中已经产生的气泡，抑泡剂能抑制生产过程中及涂料产品中的气泡。

一般情况下，消泡剂均具有破泡、抑泡和脱泡的作用，只是不同产品各有侧重而已。

通常，涂料要求光泽越高，消泡剂的选择就越严格，一种消泡剂必须与涂料具有明显的不相容性，并减少鱼眼、缩孔等副作用，在水性烘烤涂料中，消泡剂一般选择由二甲基硅氧烷与聚醚改性的消泡剂，而不能选用影响涂料光泽的矿物油基消泡剂。

本实验选择了两种消泡剂，一种为聚硅氧烷-聚醚共聚物，具有优异的抑泡性，另一种为非硅类消泡剂，具有优异的破泡性，分别在研磨前、后加入，加入量分别为体系的1.4‰和0.6‰具有较好的效果。

2.5.2助溶剂的影响
聚合物水溶液粘度往往过高，助溶剂的加入对水稀释性及粘度起调节作用，并影响漆膜干燥时的溶剂挥发速率和涂料体系的相容性与润湿性。

通常，助溶剂的加入有利于形成平整光滑的漆膜，得到粘度适中的
涂料，但助溶剂的过度加入，不仅会影响漆膜的光泽，同时还会对环境带来污染，因此，要寻找合适的助溶剂添加量。

本实验以沸点为230.0℃、相对挥发速率为0.3的二乙二醇丁醚为助溶剂，当其用量大于5%时，漆膜的光泽迅速下降，因此，助溶剂二乙二醇丁醚的合适用量应在5%以内。

2.5.3流平剂的选择及用量
涂料的流平性是涂料的重要技术指标，添加适合的流平剂能够明显改善成膜的性能，主要表现在：改进流平性能和均涂性能；消除缩孔和鱼眼现象；减少桔皮和针孔现象；改善底材润湿性，有利于空气及溶剂释放；保持或增加底材重涂性和附着力；有助于颜料的分散。

流平剂的选择影响涂膜的外观、层间附着和再涂性。

作为高装饰性的氨基烘漆，涂膜必须具有优异的流平性。

常规的流平剂有丙烯酸共聚物、有机硅和氟碳表面活性剂。

有机硅类表面张力低、表面活性高，本实验选用短链聚二甲基硅氧烷类流平剂，当添加量在2‰时，漆膜平整光滑、光泽高，具有较好的流平性。

4结语
（1）根据水性氨基烘漆的特点和制备工艺的要求，选取四种市售丙烯酸乳液进行对比，丙烯酸乳液A各方面性能优异，综合性能最佳；
（2）对丙烯酸乳液和羟基树脂的相容性进行了研究，选择了合适的羟基树脂，羟基树脂改性剂的加入提高了漆膜的光泽、硬度、耐乙醇性和耐水性，获得的水性丙烯酸氨基涂料具有优异的综合性能；
（3）选用低甲醚化氨基树脂作为改性水性丙烯酸氨基烘烤涂料的固化剂，固化剂与成膜树脂的质量比为1:4时，制得的涂料综合性能较优；
（4）通过对颜料和助剂的选择，制备了遮盖力好，表面效果好的涂膜，当钛白粉T1用量在颜料体积浓度为18%，消泡剂用量分别在1.4‰和0.6‰，助溶剂用量低于5%，流平剂用量在2‰时，漆膜具有合适的光泽和较好的遮盖力。

参考文献
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