带油低表面处理钢桶外表面用水性氨基涂料的研制
文/付秋芒
摘要：重点讨论了水性树脂、流平剂和助溶剂对水性涂料的耐油污性的影响，在制备水性钢桶用涂料过程中，选择水分散体型树脂、较低表面张力的流平剂和低极性的助溶剂时会有效改善涂膜耐油污性，同时对其他性能影响较小。
关键词：耐油污性；钢桶；水性涂料；氨基涂料
0 前言
随着社会的不断进步，人们对环保的意识不断提升，全国各地对VOC的排放限量趋严，这为水性涂料等环境友好型涂料的发展带来机遇。在钢桶行业中，传统涂料依然占据较大份额。但是随着环保政策的不断施压，钢桶行业对水性钢桶用涂料的需求也越来越迫切。
钢桶在涂装工艺中可分为两类，一类是涂装前进行酸洗磷化进行除油操作；另一类因工艺、工时等需要，没有酸洗磷化等除油操作。这样在钢桶涂装时，钢桶常常含有少量防锈油。然而，水性涂料由于施工宽容度低，因此，在含有少量防锈油的底材上施工，水性钢桶用涂料会存在各种各样的问题，最主要的便是“抽坑”。为了改善这类问题的发生，本实验主要对水性钢桶用涂料基础配方中的每个组分进行实验分析，找出了主要影响因素并对主要的影响因素进行定性定量的实验及讨论，并制备了在其他性能保持优异的同时，具有良好耐油性的水性钢桶用涂料。
1 实验部分
1.1 主要原材料(见表1)
表1 实验用原材料
| 原材料 |
类型及规格 |
生产厂家 |
水性树脂1 |
水溶型丙烯酸树脂 |
石家庄市油漆厂 |
水性树脂2 |
水分散体型丙烯酸树脂 |
石家庄市油漆厂 |
水性树脂3 |
乳液型丙烯酸树脂 |
江苏三木集团有限公司 |
流平剂1 |
强降低表面张力有机硅流平剂 |
德国BYK化学 |
流平剂2 |
中等降低表面张力有机硅流平剂 |
德国BYK化学 |
流平剂3 |
氟改性丙烯酸酯流平剂 |
德国BYK化学 |
助溶剂1 |
20%醇和80%醚混合溶剂 |
石家庄市油漆厂 |
助溶剂2 |
50%醇和50%醚混合溶剂 |
石家庄市油漆厂 |
助溶剂3 |
80%醇和20%醚混合溶液 |
石家庄市油漆厂 |
分散剂 |
755W |
德国迪高助剂 |
pH值调节剂 |
二甲基乙醇胺 |
济南世纪通达化工有限公司 |
消泡剂 |
SHG-34 |
德国迪高助剂 |
炭黑 |
硬黑雾粉 |
辽宁丹东雄鹰色素炭黑有限公司 |
氨基树脂 |
部分甲醚化氨基树脂 |
江苏三木集团有限公司 |
增稠剂 |
丙烯酸酯增稠剂 |
德国BYK化学 |
1.2 仪器设备（见表2）
表2 实验用仪器
| 仪器名称 |
仪器型号 |
生产厂家 |
高速搅拌器 |
高速搅拌器 |
广州仪科 |
砂磨机 |
实验室砂磨机 |
天津永利达 |
光泽仪 |
MN型光泽度仪 |
上海垒固仪器有限公司 |
膜厚仪 |
BGD542 |
标格达 |
涂膜冲击器 |
QCJ型涂膜冲击器 |
精科 |
铅笔硬度器 |
铅笔硬度仪 |
标格达 |
划格器 |
QFH型划格器 |
上海现代环境工程技术研究所 |
刮板细度计 |
QXD型 |
天津材料试验机厂 |
柔韧性测定仪 |
QTX-1 |
标格达 |
流挂仪 |
QAG |
科而普 |
1.3 基础配方(见表3)
表3 实验基础配方
| 原料名称 |
w/% |
水性树脂 |
40～60 |
分散剂 |
1～2 |
消泡剂 |
0.2～0.5 |
pH值调节剂 |
2～3 |
炭黑 |
2～4 |
混合助溶剂 |
2～5 |
氨基树脂 |
8～12 |
流平剂 |
0.2～0.5 |
增稠剂 |
0.2～0.4 |
去离子水 |
补足至总量达100 |
1.4 制备工艺
按配方在容器内加入水性树脂，在600 r/min下低速搅拌，将分散剂和消泡剂分散在助溶剂中缓慢加入到树脂里，用pH值调节剂调节清漆的pH值到8～8.5；在清漆中加入炭黑及适量水后搅拌均匀后，用高速研磨到细度≤20 μm，计算得率后加入余下组分。最后调节黏度后制得成品涂料。
1.5 主要性能指标
将调好的涂料喷涂在标准的马口铁板上，静置表干10 min放入烘箱，120 ℃烘烤30 min后检测性能，主要性能的检测方法及结果如表4所示。
表4 主要性能检测方法及结果
| 检测项目 |
检测方法 |
控制指标 |
检测结果 |
黏度(涂-4#杯)/s |
GB/T 6753.4—1998 |
70～120 |
90 |
细度/μm |
GB/T 6753.1—2007 |
≤20 |
20 |
60°光泽/% |
GB/T 9754—2007 |
≥80 |
90 |
铅笔硬度 |
GB/T 6739—2006 |
≥H |
H |
耐冲击/(kg·cm) |
GT/T 1732—1993 |
≥40 |
50 |
柔韧性/mm |
GB/T 6742—2007 |
≤1 |
1 |
附着力/级 |
GB/T 9286—1998 |
≤2 |
1 |
流挂性/μm |
GB/T 9264—2012 |
≥125 |
175 |
固含量/% |
GB/T 1725—2007 |
≥35 |
38.2 |
VOC含量/(g/L) |
GB/T 18582—2008 |
≤150 |
144 |
耐水性/级 |
常温水泡24h后直接按GB/T 9286—1998检测附着力 |
≤2 |
0 |
2 结果与讨论
2.1 水性树脂
通常树脂对涂膜的影响会很大，用不同的树脂制备的涂料，其涂膜的性能差异也会很大。水性树脂按照分散形态可以分为水溶型、水分散体型和水乳型。因此，实验中选择了水性树脂1、水性树脂2和水性树脂3，分别对应水溶型、水分散体型和水乳型3种不同分散形态的水性树脂进行对比。由于成品涂料的固含量≥35%，而3种水性树脂固含量相差较大，因此水性树脂1固含量较高，制漆时加量在40%左右；而水性树脂2和水性树脂3的固含量较低，因此制漆时加入量在60%左右。将3种水性树脂制备涂料后分别在含有微量防锈油的底材上喷板测试。结果如图1所示。
（a）水性树脂1
（b）水性树脂2
（c）水性树脂3
图1 不同水性树脂对耐油污性的影响
从图1来看，水性树脂1和水性树脂2实验效果相近，板面上的状态略好于水性树脂3的实验效果。因此，水溶型树脂和水分散体型树脂对油类物质敏感度相对较低，从而有良好的耐油污性。而水乳型水性树脂对油类物质较为敏感，耐油污性较差。
2.2 流平剂的选择
为了分析流平剂对涂膜耐油污性的影响，分别选用了流平剂1、流平剂2、流平剂3，其中流平剂1和流平剂2分别是具有强降低表面张力和中强降低表面张力的有机硅流平剂，而流平剂3是氟改性丙烯酸酯流平剂，3种流平剂的降低表面张力的能力依次降低。通过在不含流平剂的成品涂料中加入不同含量的3种流平剂，测试其对耐油污性的影响，实验方案及结果如表5及图2～图4所示。
表5 流平剂对耐油污性的影响
| 流平剂种类 |
w/% |
耐油污性 |
流平剂1 |
0.4 |
抽坑明显减少 |
0.8 |
抽坑明显减少 |
1.2 |
有少量抽坑 |
1.6 |
抽坑明显增多 |
流平剂2 |
0.4 |
抽坑改善不明显 |
0.8 |
抽坑明显减少 |
1.2 |
无抽坑，流平良好 |
1.6 |
无抽坑，流平良好 |
流平剂3 |
0.4 |
抽坑改善不明显 |
|
0.8 |
抽坑改善不明显 |
|
1.2 |
略有改善 |
|
1.6 |
抽坑明显减少 |
（a)w=0.4%
（b）w=0.8%
（c）w=1.2%
（d）w=1.6%
图2 流平剂1不同加量对耐油污性的影响
（a）w=0.4%
（b）w=0.8%
（c）w=1.2%
（d）w=1.6%
图3 流平剂2不同加理对耐油污性的影响
（a）w=0.4%
（b）w=0.8%
（c）w=1.2%
（d）w=1.6%
图4 流平剂3不同加量对耐油污性的影响
通过对结果进行对比分析，随着流平剂加量的增加，实验效果均出现不同程度的改善。其中，流平剂1和流平剂2改善效果最明显。但是由于流平剂1的降低表面张力能力较强，随着加量的增大，板面逐渐出现明显的缩孔现象。因此适当加入降低表面张力能力适中的流平剂可以有效改善涂膜的耐油污性。但当加入强降低表面张力的流平剂较多的时候，表面会出现较为严重的缩孔，这是因为强降低表面张力的流平剂在水性钢桶用涂料中分散较差，用量较大时会在涂膜表面分散不均匀，从而产生缩孔现象。因此，选用中强降低表面张力的流平剂2会有效改善涂膜耐油污性，且最佳加入量在1.2%(质量分数，后同)左右。
2.3 助溶剂的选择
根据基本配方，选择了3种混合助溶剂对耐油污性进行测试。其中助溶剂1中含有80%醚和20%醇，其极性较低；助溶剂2中含有醇和醚各50%，其极性适中；而助溶剂3中含有80%醇和20%醚，其极性较高。实验方案及结果如表6及图5、图6所示。
表6 助溶剂对耐油污性的影响
| 流平剂种类 |
组成类型 |
w/% |
耐油污性 |
助溶剂1 |
80%醚和20%醇 |
3 |
仅有少量抽坑 |
4 |
基本无抽坑 |
5 |
基本无抽坑 |
助溶剂2 |
50%醚和50%醇 |
3 |
抽坑较少 |
助溶剂3 |
20%醚和80%醇 |
3 |
抽坑较多 |
（a）助溶剂1
（b）助溶剂2
（c）助溶剂3
图5 不同种类助溶剂对耐油污性影响
（a）w=3%
（b）w=4%
（c）w=5%
图6 助溶剂1不同加量对耐油污性影响
通过对实验结果分析，因为助溶剂1和助溶剂2的极性较低，所以助溶剂1和助溶剂2对耐油污性改善也比较明显，且随加入量的增大抽坑得到很大程度的改善；而加入极性较高的助溶剂3效果不佳。这是因为一般防锈油的极性较低，在配方中加入低极性的溶剂可以调整涂膜的极性与防锈油的极性相近，提高涂膜对防锈油的相容性，从而改善涂料在施工过程中的耐油污性。因此，在配方中适当增加低极性的助溶剂如醇类溶剂，会有效改善耐油污性。而助溶剂的加量会影响涂料的VOC，因此助溶剂的加量在3%～4%时最佳。
3 结语
(1) 在设计配方时，选择水溶型树脂和水分散体型树脂可以降低涂膜对底材上油性物质的敏感性，从而提高涂膜的耐油污能力。
(2) 适当加入较低表面张力的流平剂可以显著提高水性钢桶用涂料对底材的耐油性，但低表面张力的流平剂加入量过多也会影响涂膜流平。因此，在配方设计时还应注意流平剂的加入量，实验表明，流平剂加入量在1.2%时，涂膜既能拥有良好的耐油性也不会影响流平。
(3) 调整配方中溶剂的极性，使涂膜的极性与防锈油的极性相近，改善涂膜与防锈油之间的相容性，提高施工时的耐油污性。而且随着加入量的增大，改善效果越明显。但这类成分会明显提高涂料的VOC含量，因此应尽量减少其加入量，使效果改善即可。实验结果表明，助溶剂加入量在3%～4%时最佳。
