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汽车修补用水性底色漆配方开发
2018年10月19日    阅读量:2681    新闻来源:作者:程伏涛、郭亚菊、马继亮、赵永娟、冯丘陵,巴斯夫新材料有限公司  |  投稿

随着人们对环境保护的日益重视,水性涂料技术正在以前所未有的速度改变着我们的生活1-3。汽车涂料是涂料市场中一个重要的分支,主要包括汽车原厂漆及修补漆。近年来,新兴经济体汽车拥有量快速增长导致汽车事故率大幅增加,汽车修补漆市场也在不断的增长中国涂料在线coatingol.com。据不完全统计,2016年全球修补漆市值大约80亿美元,汽车修补漆市场从2017年到2022年的预计复合年增长率高达5.7%。汽车修补漆市场基于不同的产品类型分为底漆、底色漆、清漆等,这其中底色漆的市值大约占了四成,可见其重要性。

聚氨酯分散体(PUD)通常是由脂肪族或芳香族异氰酸酯同一种或几种醇的混合物相反应形成的预聚物所组成的,所用的多元醇通常有聚酯、聚醚或聚碳酸酯结构,通常被称为软链段,结构中用来使预聚物扩链的短链二胺以及含离子的短链物质通常被称为硬链段(如图1所示结构)。软硬链段之间互相的增强增韧赋予了聚氨酯优异的耐磨性、柔韧性和耐久性。由于软硬链段可选择及调节的范围广泛,近年来PUD在诸多行业中都得到广泛的应用4-5。相对于丙烯酸乳液,PUD不仅具有性能上的优势,而且在汽车修补漆的配色环节还拥有干湿膜颜色差异小的明显优势,这给修补漆的后期施工应用提供了较大的便利。本文将设计一个以巴斯夫聚氨酯分散体产品Joncryl® U5168以及市面上另外一款应用于汽车修补漆中的PUD产品(对比样)为基础的汽车修补色漆配方,经对比发现,Joncryl®U5168稳定性更好,与颜料相容性优异,干燥速度快,硬度优良,适合打磨,特别适用于汽车修补底色漆。

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实验部分

测试方法及评估项目

为了深入了解Joncryl® U5168和对比样在水性修补底色漆中的性能表现,我们考察两者在相同配方下,涂料的稳定性、润湿性、干燥速度、硬度、杯凸、打磨性、附着力、外观、耐水性及效果颜料定向等性能上的差异。测试样板的基材是普通的马口铁,底漆层用的是鹦鹉牌高浓度干磨中涂底漆,色漆层我们选取了黑色、白色两种实色漆以及一种铝粉漆,用Joncryl® U5168和对比样品分别配制,清漆采用的是我们之前开发的高固体份修补清漆6-7

 

配方设计

黑色、白色、银色我们都选用炔二醇结构改性的Hydropalat® WE 3650作为底材润湿助剂,具有优异的基材润湿性和不稳泡性。黑色和白色漆我们分别选用高分子量的Dispex® Ultra PX 4585和Dispex® Ultra PX 4575作为分散助剂,基于CFRP(可控自由基聚合)技术,两个产品具有特定的嵌段结构,具有分散效率高、体系稳定性好等优点。Dispex® Ultra FA 4425属于脂肪酸改性聚酯结构,分子量较小,水油通用,适合金属颜料的分散稳定。FoamStar® ST 2454是超支化高分子,呈星形结构,消泡能力强,效率高。10%的二甲基乙醇胺水溶液用来调整体系的pH值,高效碱溶胀型增稠剂Rheovis® AS 1130用来调节体系的粘度,Laponite RD水溶液作为流变改性剂提高银色漆的触变性能,适当添加一些紫外光吸收剂Tinuvin® 1130和稳定剂Tinuvin® 292提高漆膜耐候性。具体配方见表1。

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涂料的制备

黑色和白色两个实色漆我们先在部分去离子水中添加乙二醇丁醚等助溶剂及润湿剂、分散剂和消泡剂等搅拌均匀,加入炭黑粉或钛白粉,研磨至细度小于10微米。然后将色浆在搅拌条件下逐步加入PUD树脂、润湿消泡剂,配置好的UV-HALS中间体溶液,调节pH值至8到9,最后用增稠剂中间体溶液调节粘度至约200cp。银色漆配置过程与黑白色相近,只是无需研磨工艺,将铝粉浆搅拌分散均匀即可,最后用中间体增稠剂溶液以及Laponite RD 溶液进行粘度调节至约为200cp。

 

涂膜的制备

以表面清洁的马口铁板为基材,喷涂鹦鹉牌高浓度干磨中涂底漆,两遍喷涂,总膜厚约20微米,闪干5分钟后60度烘烤10分钟,冷却后喷涂水性色漆层,两遍喷涂至遮盖膜厚,闪干10分钟后60度烘烤10分钟,取出冷却。然后进行罩清漆工序,清漆选用我们设计的溶剂型高固体份修补清漆6-7,施工固体份大于58%,两遍喷涂,总膜厚约45微米,闪干10分钟后60度烘烤15分钟,也可常温自干,25度环境温度下约需3-4小时可自干。样板制好后在恒温恒湿环境中老化7天,然后进行各种测试。

 

测试结果与讨论

经研磨、调漆,我们将3个颜色、6个样品漆配置完成,粘度控制在200cp左右。对液体涂料、色漆干膜以及全涂层我们都进行了测试,测试条件和结果见表2。经过50度烘箱240小时的存储后,粘度基本保持稳定(见图2),颜料的细度也没有变化,说明涂料配方中的组份选择合理,性能稳定,树脂和助剂的稳定性都很优异。含炔二醇结构的Hydropalat® WE 3650可以显著降低涂料的动态表面张力,对提高液体涂料对底材的润湿性能有很好的作用,所以六个样品对底材的润湿性能都很优异,无润湿不良现象发生。

漆膜的干燥速度是修补漆一个重要的性能指标,尤其对于水性漆而言,干燥速度意味着工作效率和经济效益,对于金属和珠光漆而言,干燥速度快也更加利于效果颜料的定向排列。因此,在本实验中我们考察了六个样品的表面干燥速度和实干速度。如图3所示,涂料颜色不同,其表干及实干速度也有所不同,但是经过对比我们发现用Joncryl® U5168配置的黑色,白色和银色涂料的干燥速度都要比用对比样配置的涂料快一些,因为Joncryl® U5168的分子量稍高,且其结构中硬段比例较大,所以其干燥速度,机械性能会更加优异,从打磨性能和硬度的测试结果中也可以看出,Joncryl® U5168配置的黑色漆层打磨起来较容易出粉,也不易粘砂纸(图4),摆杆硬度也比对比样高。在硬度和干性都有所提高的同时,漆膜的柔韧性及流平性基本没有受到影响,结果显示,Joncryl®  U5168样品的杯凸数据及光泽数据与对比样几无差别。综合这些物理性能,我们可以发现,Joncryl®  U5168的化学结构设计合理,干湿,软硬,流平等达到一个较好的平衡。

全涂层的附着力我们也进行了考察,底漆层用的是鹦鹉牌高浓度干磨中涂底漆,色漆层是我们用Joncryl® U5168和对比样品分别配制的,清漆采用的是我们之前开发的高固体份修补清漆,结果如图5所示,六个样品的附着力都较为优良(对比样的黑色漆有少许脱落, 提示可能有轻微的附着风险),耐水测试后的附着力依然较好,并且都具有大于80%的光泽保留,说明六个样品的层间结合力、底漆、色漆,清漆间的配套性、耐水性能都较为优异。

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树脂的触变性对漆膜的流平及效果颜料的定向也有一定的影响,因此我们用Anton Paar MCR 302型流变仪对Joncryl® U5168和对比样在室温下(23±1℃)的流变性进行考察,如图6所示,随着剪切力的增加,两者都表现出一定的触变性能,相对而言,Joncryl®U5168更强一些,理论推测可能它对金属颜料的定向排列等相关性能会更优异。从两个铝粉漆样品的FI(Flop-Index,计算公式见图7)值可以看出,Joncryl® U5168的数值稍高,金属颜料的排列更好,样板的目视效果更加明显,如图7中照片所示,Joncryl® U5168的样板铝粉排列更均匀,闪烁性更佳,对比样则稍差一些。当然铝粉的排列不仅与树脂相关,与整个配方的设计、增稠剂、触变助剂的选择也有很大的关系,Rheovis®AS 1130是一款碱溶胀型增稠剂,性能稳定,增稠效率高,高剪切下触变性较强的层状硅酸盐Laponite RD 溶液作为流变改性助剂增强了体系的触变性,在喷涂及干燥过程中使铝粉的排列更加均匀。

基于上述结果,我们发现六个样品的性能基本合格,相比而言,以Joncryl® U5168作为主树脂的配方在干燥速度,硬度,打磨性及效果颜料定向方面会略胜一筹,性能总结如图8所示。

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结语

随着环保的呼声越来越强烈,减少VOC排放成为一个刻不容缓的任务8-9,溶剂型产品水性化已是必然的趋势。以PUD为基料的水性漆产品逐步进入中高端市场,汽车修补漆市场也不会例外。本文以Joncryl® U5168及另外一款对比产品为主树脂设计了汽车修补用底色漆的配方,该配方性能稳定、适用性强,在诸多方面都表现出优异的性能。特别是用Joncryl® U5168树脂配置的样品,干燥速度快,硬度及打磨性能优异,附着力、涂层间配套性优良,与颜料的稳定性好,触变性较好,效果颜料的定向性好,是一款值得推广在汽车修补漆中应用的PUD产品。      

 

参考文献

1、黄伟,邱祖民,肖建军,等。水性涂料的应用现状及研究进展[J].化工新型材料,2015,43(8):210-212。

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9、江梅,邹兰,李晓倩,等。我国挥发性有机物定义和控制指标的探讨[J].环境科学,2015,36(9):2522-2532。


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