水性丙烯酸氨基烤漆的制备与研究
文/李超宇
摘要：介绍了一种用于自行车涂装的水性羟基丙烯酸氨基烤漆的制备、性能和用途，讨论了不同的水性丙烯酸树脂以及氨基树脂的不同用量对漆膜性能的影响，以及防锈颜料和助剂对漆膜外观及体系稳定性的影响。
关键词：自行车涂料；环保；水性丙烯酸树脂；水性氨基树脂；水性丙烯酸氨基烤漆
0 引言
自行车是轻工市场的主要产品之一，自行车涂料在整个涂料市场中贡献了不可忽视的市场份额。目前世界自行车年产量约1.2亿辆，年贸易量约为7 500万辆，我国自行车出口量占全球60%以上，国内消费量居世界第一，并且自行车的定位发生了很大的变化，已经不仅仅是代步工具，同时也成为了大众健身娱乐的消费品，因此对于自行车涂装的工艺与质量有了新的需求。
目前自行车行业涂装以溶剂型为主，主要有氨基醇酸烤漆、聚酯氨基烤漆和丙烯酸氨基烘烤漆等。近年来，国家对环境保护重视程度越来越高，环保出行已成为我国大力倡导的一种出行方式，所以自行车涂装也必须要做到减排。使用水性涂料，能够使VOC的排放减少50%以上，因此涂料的水性化也成为减排的一大利器。在自行车涂料领域，使用水性丙烯酸氨基烘烤型涂料产品替代原有的溶剂型丙烯酸氨基烤漆是目前自行车涂装领域的研究开发重点，同时也是未来的一个发展趋势。
本研究采用水性羟基丙烯酸树脂、水性氨基树脂、颜填料和涂料助剂配制烘烤型水性丙烯酸氨基涂料，涂装于自行车工件，得到综合性能优异的涂层。
1 试验部分
1.1 主要原材料
水性丙烯酸树脂AP-1321：阳光汇德；氨基树脂C-325：氰特化学；胺中和剂DMAE、消泡剂DF-1181、消泡剂AP-7015、流变助剂FX-1070：德谦；润湿剂BYK-346、分散剂BYK-190：毕克；钛白粉R-215：中核华原；滑石粉1 250目：平度世杰；磷钼酸锌ZPM：广西新晶科技有限公司。
1.2 制漆工艺
根据表1的配方，将颜料、分散剂、部分水混合均匀，研磨至细度≤15 μm，制得水性色浆。将DMEA加入水性丙烯酸树脂调节pH至8左右，再逐渐加入剩余部分水，将其搅匀。然后，加入水性色浆、氨基树脂、润湿剂、消泡剂，高速分散均匀，再加入流变助剂，中速分散均匀，最后用120目纱网过滤，包装。
表1水性丙烯酸氨基烤漆参考配方
原材料名称 |
质量分数/% |
水性丙烯酸树脂 |
15.0~25.0 |
氨基树脂 |
1.0~10.0 |
胺中和剂 |
0.5~1.5 |
去离子水 |
45.0~55.0 |
润湿剂 |
0.1~0.5 |
消泡剂 |
0.1~0.5 |
流变助剂 |
0.1~1.0 |
分散剂 |
1.0~5.0 |
颜料 |
5.0~25.0 |
填料 |
10.0~30.0 |
防锈颜料 |
5.0~10.0 |
1.3 性能检测
将调配好的涂料喷涂在标准马口铁板上，待流平表干后放入烘箱中，在120 ℃下烘烤30 min，制好的样板供测试漆膜性能用。检测结果见表2。
表2 水性氨基烤漆检测结果
检测项目 |
检测结果 |
漆膜外观 |
表面光滑平整 |
附着力（划格法）/级 |
1 |
铅笔硬度 |
4H |
柔韧性/mm |
1 |
耐冲击性/cm |
50 |
耐盐雾性（240 h） |
不起泡、不起皱、不脱落 |
耐水性（240 h） |
不起泡、不起皱、不脱落 |
耐盐水（3%NaCl，240 h） |
不起泡、不起皱、不脱落 |
耐碱性（10 g/L NaOH溶液，240 h） |
不起泡、不起皱、不脱落 |
耐溶剂擦拭① |
无失光、无掉色、无划痕 |
①耐溶剂擦拭：用棉球充分蘸取丁酮，在样板上来回摩擦50次，观察漆膜表面，变化，是否有失光、掉色、永久性划痕，从而定性比较其交联密度。
2 结果与讨论
2.1 水性丙烯酸树脂的选择
水性丙烯酸树脂属阴离子型，共聚树脂的单体选用了适量的不饱和羧酸单体使侧链上带有羧基，再用有机胺中和成盐而获得溶于水的丙烯酸树脂。作为水溶性丙烯酸氨基烘烤漆 的主体树脂，其性能直接影响涂料的性能，诸如漆膜的硬度、耐冲击性、柔韧性等性能，由于生产厂家不同，漆膜的最终性能也将不同。本研究对市售多种水性丙烯酸树脂进行了筛选，结果列于表3。
表3 不同生产厂家水性丙烯酸树脂的性能
性能 |
水性丙烯酸树脂 |
AP-1321 |
M-55D |
AK-375 |
铅笔硬度 |
2H |
2H |
2H |
柔韧性/mm |
1 |
2 |
2 |
耐冲击性/cm |
50 |
30 |
40 |
从表3可以看出，AP-1321具有良好的柔韧性及耐冲击性。
2.2 水性氨基树脂的选择
氨基树脂是一种常用的固化剂，其主要作用是与树脂通过化学反应形成交联网状结构。这种网状结构是通过氨基树脂分子与主体成膜树脂上的官能团的反应，并和其他氨基树脂分子同时发生缩聚反应而得到的。氨基树脂很容易与带有伯羟基、仲羟基、羧基、酰胺基的聚合物发生反应，本试验采用不同的用于水性涂料的氨基树脂与主体树脂复配，制备水性烤漆，对固化性能和涂层性能进行分别测试。
由试验可知，氨基树脂C-325与成膜树脂相容性较好，固化速率快，并且固化漆膜性能优异。本试验采用C-325与水性丙烯酸树脂进行交联固化。
2.3 水性丙烯酸树脂与氨基树脂的配比
水溶性丙烯酸树脂与氨基树脂的配比会影响漆膜的硬度、耐冲击性、柔韧性、耐溶剂擦拭性等多种性能。当氨基树脂用量过大时，漆膜的硬度、耐水耐醇性好，但耐冲击性、柔韧性和对底材的附着力降低。用量过小时，漆膜的硬度、耐水耐醇性差，但耐冲击性、柔韧性提高。结果见表4。
表4 不同水性丙烯酸树脂与氨基树脂配比的性能
性能 |
丙烯酸树脂/氨基树脂 |
4/1 |
5/1 |
6/1 |
7/1 |
8/1 |
附着力（划格法）级 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
铅笔硬度 |
4H |
4H |
4H |
3H |
3H |
柔韧性/mm |
2 |
2 |
1 |
1 |
1 |
耐冲击性/cm |
40 |
40
|
50 |
50 |
50 |
耐溶剂擦拭 |
无失光、无掉色、无划痕 |
无失光、无掉色、无划痕 |
无失光、无掉色、无划痕 |
无失光、无掉色、无划痕 |
轻微失光、掉色、无划痕 |
耐水性/ h |
240 |
240 |
240 |
240 |
190 |
耐盐水性/ h |
240 |
240 |
240 |
240 |
190 |
耐盐雾性/ h |
240 |
240 |
240 |
220 |
190 |
耐碱性/ h |
240 |
240 |
240 |
240 |
190 |
由表4可知，水性丙烯酸树脂与氨基树脂的配比在6∶1时，漆膜的综合性能最好。
2.4 防锈颜料的选择
按表1所示的涂料配方分别采用不同种类的防锈颜料，防锈颜料的添加量为5%（占总质量比），控制相同的PVC（颜料体积浓度）为0.6及防锈颜料加量，按1.2工艺制备试板进行盐雾试验。
由试验结果可知，含铬颜料的耐盐雾性能最好，C303、APW-Ⅱ、铁钛粉的在本体系中耐盐雾性能较差，ZPM、SW-111、SCP-391、ZP-10 等防锈颜料其耐盐雾性能中等，含铬颜料耐盐雾性能最好，但含铬颜料对环境污染较重。本文综合考虑环保因素和防腐性能，最终选择磷钼酸锌（ZPM）作为防锈颜料。
2.5 助剂的选择对漆膜外观及体系稳定性的影响
2.5.1 水性消泡剂的选择和影响
由于润湿剂和增稠剂均会起到稳泡作用，制漆以及在涂装过程中会产生大量气泡，不利于涂料的施工。同时，水分子间氢键力较强，内聚力强，汽化潜热大，比般有机溶剂高出几倍甚至十几倍，水的挥发速度要比沸点相近的溶剂慢得多，造成水溶性丙烯酸氨基烤漆中水的挥发速度远远滞后于成膜速度，引起漆膜起泡。必须加入合适的消泡剂及抑泡剂，消除产生的气泡以及防止新的气泡产生。本文根据各厂家市售的不同的消泡剂进行了品种的选择。分别选择了BYK-020、BYK-022、DF-1181、AP-7015进行试验，最终确定将的消泡剂DF-1181及抑泡剂AP-7015复合使用，效果最佳。同时，又确定了其具体加量，结果见表5。
表5 不同消泡剂加量对消泡效果的影响
项目 |
消泡剂加量/% |
DF-1181 |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
AP-7015 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
制漆完成后的效果 |
|
消泡速度较快 |
迅速消泡 |
迅速消泡 |
烘烤完成后的效果 |
|
板面边缘处少量起泡 |
板面无起泡现象 |
板面无起泡现象 |
由于消泡剂利用体系不相容性消除气泡，使得表面张力增大，不利于漆膜在基材上的润湿，故加量不宜过多，最终选择能使起泡迅速消除且烘烤后不起泡的最小加量。
2.5.2 pH调节剂的选择和影响
水性涂料中必须加入pH调节剂，以保证体系的稳定，常见的有氨水、三乙胺、三乙醇胺、DMAE等。氨水刺激性气味大，易挥发，从而使氨基树脂不稳定，导致涂料的分层、沉淀，烘烤过程中易泛黄。三乙胺碱性强，在漆内不容易迁移，但由于其沸点低（89.5 ℃），一到表面马上挥发成膜，漆膜表面干燥，但内部还没干燥，引起涂料的烘烤起泡。三乙醇胺沸点较高，达 360 ℃，漆膜易泛黄。DMAE沸点 134 ℃，挥发度适中，从改善涂料的稳定性、固化后漆膜的表面状态来看，DMAE是最合适的pH调节剂。
3 结语
以水性涂装为代表的环保涂装是自行车绿色涂装发展的方向，是节能减排、保护环境、保障员工职业健康的有效措施。本文研制的水性丙烯酸氨基烤漆，其漆膜性能和施工性能都达到了预期的效果，同时其VOC远低于溶剂型氨基烤漆。并且施工简单，在自行车涂装上的应用效果良好。
