水性丙烯酸氨基烤漆的制備與研究

文/李超宇

摘要：介紹了一種用于自行車涂裝的水性羥基丙烯酸氨基烤漆的制備、性能和用途，討論了不同的水性丙烯酸樹脂以及氨基樹脂的不同用量對漆膜性能的影響，以及防銹顏料和助劑對漆膜外觀及體系穩定性的影響。

關鍵詞：自行車涂料；環保；水性丙烯酸樹脂；水性氨基樹脂；水性丙烯酸氨基烤漆

 

0 引言  

自行車是輕工市場的主要產品之一，自行車涂料在整個涂料市場中貢獻了不可忽視的市場份額。目前世界自行車年產量約1.2億輛，年貿易量約為7 500萬輛，我國自行車出口量占全球60%以上，國內消費量居世界第一，并且自行車的定位發生了很大的變化，已經不僅僅是代步工具，同時也成為了大眾健身娛樂的消費品，因此對于自行車涂裝的工藝與質量有了新的需求。

目前自行車行業涂裝以溶劑型為主，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。近年來，國家對環境保護重視程度越來越高，環保出行已成為我國大力倡導的一種出行方式，所以自行車涂裝也必須要做到減排。使用水性涂料，能夠使VOC的排放減少50%以上，因此涂料的水性化也成為減排的一大利器。在自行車涂料領域，使用水性丙烯酸氨基烘烤型涂料產品替代原有的溶劑型丙烯酸氨基烤漆是目前自行車涂裝領域的研究開發重點，同時也是未來的一個發展趨勢。

本研究采用水性羥基丙烯酸樹脂、水性氨基樹脂、顏填料和涂料助劑配制烘烤型水性丙烯酸氨基涂料，涂裝于自行車工件，得到綜合性能優異的涂層。 

 

1 試驗部分

1.1 主要原材料

水性丙烯酸樹脂AP-1321：陽光匯德；氨基樹脂C-325：氰特化學；胺中和劑DMAE、消泡劑DF-1181、消泡劑AP-7015、流變助劑FX-1070：德謙；潤濕劑BYK-346、分散劑BYK-190：畢克；鈦白粉R-215：中核華原；滑石粉1 250目：平度世杰；磷鉬酸鋅ZPM：廣西新晶科技有限公司。

1.2 制漆工藝

根據表1的配方，將顏料、分散劑、部分水混合均勻，研磨至細度≤15 μm，制得水性色漿。將DMEA加入水性丙烯酸樹脂調節pH至8左右，再逐漸加入剩余部分水，將其攪勻。然后，加入水性色漿、氨基樹脂、潤濕劑、消泡劑，高速分散均勻，再加入流變助劑，中速分散均勻，最后用120目紗網過濾，包裝。

表1水性丙烯酸氨基烤漆參考配方

原材料名稱	質量分數/%
水性丙烯酸樹脂	15.0~25.0
氨基樹脂	1.0~10.0
胺中和劑	0.5~1.5
去離子水	45.0~55.0
潤濕劑	0.1~0.5
消泡劑	0.1~0.5
流變助劑	0.1~1.0
分散劑	1.0~5.0
顏料	5.0~25.0
填料	10.0~30.0
防銹顏料	5.0~10.0

 

1.3 性能檢測

將調配好的涂料噴涂在標準馬口鐵板上，待流平表干后放入烘箱中，在120 ℃下烘烤30 min，制好的樣板供測試漆膜性能用。檢測結果見表2。

表2 水性氨基烤漆檢測結果

檢測項目	檢測結果
漆膜外觀	表面光滑平整
附著力（劃格法）/級	1
鉛筆硬度	4H
柔韌性/mm	1
耐沖擊性/cm	50
耐鹽霧性（240 h）	不起泡、不起皺、不脫落
耐水性（240 h）	不起泡、不起皺、不脫落
耐鹽水（3%NaCl，240 h）	不起泡、不起皺、不脫落
耐堿性（10 g/L NaOH溶液，240 h）	不起泡、不起皺、不脫落
耐溶劑擦拭①	無失光、無掉色、無劃痕

①耐溶劑擦拭：用棉球充分蘸取丁酮，在樣板上來回摩擦50次，觀察漆膜表面，變化，是否有失光、掉色、永久性劃痕，從而定性比較其交聯密度。

 

2 結果與討論

2.1 水性丙烯酸樹脂的選擇

水性丙烯酸樹脂屬陰離子型，共聚樹脂的單體選用了適量的不飽和羧酸單體使側鏈上帶有羧基，再用有機胺中和成鹽而獲得溶于水的丙烯酸樹脂。作為水溶性丙烯酸氨基烘烤漆 的主體樹脂，其性能直接影響涂料的性能，諸如漆膜的硬度、耐沖擊性、柔韌性等性能，由于生產廠家不同，漆膜的最終性能也將不同。本研究對市售多種水性丙烯酸樹脂進行了篩選，結果列于表3。

表3 不同生產廠家水性丙烯酸樹脂的性能

性能	水性丙烯酸樹脂
	AP-1321	M-55D	AK-375
鉛筆硬度	2H	2H	2H
柔韌性/mm	1	2	2
耐沖擊性/cm	50	30	40

從表3可以看出，AP-1321具有良好的柔韌性及耐沖擊性。

2.2 水性氨基樹脂的選擇

氨基樹脂是一種常用的固化劑，其主要作用是與樹脂通過化學反應形成交聯網狀結構。這種網狀結構是通過氨基樹脂分子與主體成膜樹脂上的官能團的反應，并和其他氨基樹脂分子同時發生縮聚反應而得到的。氨基樹脂很容易與帶有伯羥基、仲羥基、羧基、酰胺基的聚合物發生反應，本試驗采用不同的用于水性涂料的氨基樹脂與主體樹脂復配，制備水性烤漆，對固化性能和涂層性能進行分別測試。

由試驗可知，氨基樹脂C-325與成膜樹脂相容性較好，固化速率快，并且固化漆膜性能優異。本試驗采用C-325與水性丙烯酸樹脂進行交聯固化。

2.3 水性丙烯酸樹脂與氨基樹脂的配比

水溶性丙烯酸樹脂與氨基樹脂的配比會影響漆膜的硬度、耐沖擊性、柔韌性、耐溶劑擦拭性等多種性能。當氨基樹脂用量過大時，漆膜的硬度、耐水耐醇性好，但耐沖擊性、柔韌性和對底材的附著力降低。用量過小時，漆膜的硬度、耐水耐醇性差，但耐沖擊性、柔韌性提高。結果見表4。

表4 不同水性丙烯酸樹脂與氨基樹脂配比的性能

性能	丙烯酸樹脂/氨基樹脂
	4/1	5/1	6/1	7/1	8/1
附著力（劃格法）級	1	1	1	1	1
鉛筆硬度	4H	4H	4H	3H	3H
柔韌性/mm	2	2	1	1	1
耐沖擊性/cm	40	40	50	50	50
耐溶劑擦拭	無失光、無掉色、無劃痕	無失光、無掉色、無劃痕	無失光、無掉色、無劃痕	無失光、無掉色、無劃痕	輕微失光、掉色、無劃痕
耐水性/ h	240	240	240	240	190
耐鹽水性/ h	240	240	240	240	190
耐鹽霧性/ h	240	240	240	220	190
耐堿性/ h	240	240	240	240	190

由表4可知，水性丙烯酸樹脂與氨基樹脂的配比在6∶1時，漆膜的綜合性能最好。

2.4 防銹顏料的選擇

按表1所示的涂料配方分別采用不同種類的防銹顏料，防銹顏料的添加量為5%（占總質量比），控制相同的PVC（顏料體積濃度）為0.6及防銹顏料加量，按1.2工藝制備試板進行鹽霧試驗。

由試驗結果可知，含鉻顏料的耐鹽霧性能最好，C303、APW-Ⅱ、鐵鈦粉的在本體系中耐鹽霧性能較差，ZPM、SW-111、SCP-391、ZP-10 等防銹顏料其耐鹽霧性能中等，含鉻顏料耐鹽霧性能最好，但含鉻顏料對環境污染較重。本文綜合考慮環保因素和防腐性能，最終選擇磷鉬酸鋅（ZPM）作為防銹顏料。

2.5 助劑的選擇對漆膜外觀及體系穩定性的影響

2.5.1 水性消泡劑的選擇和影響

由于潤濕劑和增稠劑均會起到穩泡作用，制漆以及在涂裝過程中會產生大量氣泡，不利于涂料的施工。同時，水分子間氫鍵力較強，內聚力強，汽化潛熱大，比般有機溶劑高出幾倍甚至十幾倍，水的揮發速度要比沸點相近的溶劑慢得多，造成水溶性丙烯酸氨基烤漆中水的揮發速度遠遠滯后于成膜速度，引起漆膜起泡。必須加入合適的消泡劑及抑泡劑，消除產生的氣泡以及防止新的氣泡產生。本文根據各廠家市售的不同的消泡劑進行了品種的選擇。分別選擇了BYK-020、BYK-022、DF-1181、AP-7015進行試驗，最終確定將的消泡劑DF-1181及抑泡劑AP-7015復合使用，效果最佳。同時，又確定了其具體加量，結果見表5。

表5 不同消泡劑加量對消泡效果的影響

項目	消泡劑加量/%
	DF-1181	0.1	0.2	0.3
	AP-7015	0.2	0.3	0.4
制漆完成后的效果		消泡速度較快	迅速消泡	迅速消泡
烘烤完成后的效果		板面邊緣處少量起泡	板面無起泡現象	板面無起泡現象

由于消泡劑利用體系不相容性消除氣泡，使得表面張力增大，不利于漆膜在基材上的潤濕，故加量不宜過多，最終選擇能使起泡迅速消除且烘烤后不起泡的最小加量。

2.5.2 pH調節劑的選擇和影響

水性涂料中必須加入pH調節劑，以保證體系的穩定，常見的有氨水、三乙胺、三乙醇胺、DMAE等。氨水刺激性氣味大，易揮發，從而使氨基樹脂不穩定，導致涂料的分層、沉淀，烘烤過程中易泛黃。三乙胺堿性強，在漆內不容易遷移，但由于其沸點低（89.5 ℃），一到表面馬上揮發成膜，漆膜表面干燥，但內部還沒干燥，引起涂料的烘烤起泡。三乙醇胺沸點較高，達 360 ℃，漆膜易泛黃。DMAE沸點 134 ℃，揮發度適中，從改善涂料的穩定性、固化后漆膜的表面狀態來看，DMAE是最合適的pH調節劑。

 

3 結語

以水性涂裝為代表的環保涂裝是自行車綠色涂裝發展的方向，是節能減排、保護環境、保障員工職業健康的有效措施。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達到了預期的效果，同時其VOC遠低于溶劑型氨基烤漆。并且施工簡單，在自行車涂裝上的應用效果良好。