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汽车涂料用水性通用色浆的研制,通过在脂肪族聚氨酯链上引入阴离子基团,制备了对颜料润湿性和树脂相容性良好的水性通用树脂
2020年04月29日    阅读量:11933     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

0 引言

近年来,汽车工业的快速发展为汽车涂料创造了空前的发展契机。汽车涂料在涂料工业中占有极其重要的地位,仅次于建筑涂料,因此各国非常重视汽车涂料的研发,以适应汽车工业发展的需要。汽车涂料品种多、用量大、涂层性能要求高、涂装工艺特殊,已发展成为一种专用涂料中国机械网okmao.com


由于汽车涂料的技术含量高、附加值大,它往往代表着一个国家涂料工业的技术水平和发展状况。随着工业化的不断发展,汽车涂装过程中VOC(挥发性有机化合物)的大量排放造成的大气污染也引起了人们的高度重视。


传统的汽车涂料着色是将颜料直接添加到涂料中,或采用自制的颜料浆添加到涂料中,对涂料进行着色。这样存在一定的弊端:如颜色重现性不好,着色不均匀,颗粒较粗,污染严重,且涂膜的耐光性、耐候性差等。


随着汽车涂料市场竞争的激烈化,制备高档汽车涂料的呼声越来越高,因此汽车涂料用水性通用色浆应运而生。与传统的溶剂型色浆相比,水性色浆是一种新型环保产品,不含有毒溶剂、重金属元素,甲醛含量较低。据专业机构测算,以每周平均混合4 L 底色漆的车间为例,使用水性色浆每年可以减少115 kg 的VOC 排放,相当于100 多辆车1 年的尾气排放量。


本研究旨在开发出一种高性能汽车涂料用水性通用色浆,实现低VOC 排放,对涂料产业的发展具有深远的意义。

 

1 试验部分

1.1 主要原材料与仪器

原材料:脂肪族二异氰酸酯(ADI)、N- 甲基吡咯烷酮(NMP)、酒石酸(TA)、二羟甲基丙酸(DMPA),均为化学纯,市售品;润湿剂、消泡剂,分析纯,德国BYK ;三乙胺(TETN),分析纯,海明斯公司。

仪器:精密电子天平,BL-2000A,上海亚津电子科技有限公司;硬度计,BGD 509,广州标格达实验室仪器用品有限公司。

1.2 水性通用树脂的制备

1.2.1 含端羧基预聚体的制备

在氮气气氛下,将经120℃脱水的60 kg 二官能团聚酯或聚醚和40 kg 脂肪族二异氰酸酯加入反应釜中,逐渐升温至65℃,反应2.0 h,使体系中的—NCO含量达到理论值。

1.2.2 预聚体的扩链

称取5 kg 二羟甲基丙酸,在N- 甲基吡咯烷酮中充分溶解后加入0.2 kg 催化剂,升温至82℃左右反应3 h,继续加入5 kg 酒石酸,在70℃进行扩链反应1.5 h,加入丙酮等极性溶剂降黏,制得含端羧基高聚物溶液。

1.2.3 高聚物的中和及乳化

将所得的高聚物溶液降温到40℃左右,加入5 kg三乙胺中和剂,快速搅拌混合,中和反应30 min,然后在高速搅拌下缓慢加入100 kg 去离子水乳化25 min,制得水性聚氨酯分散体。

1.2.4 脱去溶剂

所得的水性聚氨酯分散体真空减压脱去丙酮,即得到稳定的阴离子水性聚酯聚氨酯通用树脂。水性通用树脂制备工艺流程图见图1。

水性通用树脂制备工艺流程图

汽车涂料用水性通用色浆的研制,通过在脂肪族聚氨酯链上引入阴离子基团,制备了对颜料润湿性和树脂相容性良好的水性通用树脂 中国机械网,okmao.com

1.3 汽车涂料用水性通用色浆的制备

将水性通用树脂、去离子水,分散剂、消泡剂等助剂,水性助溶剂混合均匀后,加入水性颜料,分散均匀;进入砂磨机研磨至细度达到要求后,再于分散条件下加入助剂,分散均匀,即制得汽车涂料用水性通用色浆产品。制备工艺流程如图2 所示。

水性通用色浆制备工艺流程图

汽车涂料用水性通用色浆的研制,通过在脂肪族聚氨酯链上引入阴离子基团,制备了对颜料润湿性和树脂相容性良好的水性通用树脂 中国机械网,okmao.com

1.4 性能测试

耐酸碱性:按GB/T 9274—1988 进行测定;黏度:按GB/T 1723—1993 进行测定;pH :按GB/T 9724—2007 进行测定;密度:按GB/T 6750—2007 进行测定。



2 结果与讨论

2.1 DMPA对水性通用树脂性能的影响

DMPA 作为体系的亲水扩链剂是影响成膜物性能的重要因素之一。实验表明:随着DMPA 用量的增加,为体系提供了更多的亲水基团,水性聚氨酯分子链的亲水性增强,平均粒子尺寸显著减小,在水中更易分散,分散体的外观由不透明的乳白色逐渐变成透明液体;


但粒子尺寸是影响体系黏度的主要因素,随着粒子尺寸的减小,粒子在运动时受到的阻力就越小,表现为体系的黏度呈下降趋势;DMPA 的用量越大,水性聚氨酯分子链上的亲水基团越多,极性基团含量增大,中和后生成的水性聚氨酯亲水性增强,在成膜过程中,亲水链段极性基团聚集形成的亲水区体积越大,水分子易被分子链上的亲水基团吸附,从而导致吸水率增大,耐水性降低。当DMPA 用量在3.0%~6.0% 时,粒子尺寸的变化虽有明显不同,但在贮存稳定性方面,均未发生凝聚或分层现象,完全满足使用性能要求。


2.2 水性通用树脂及颜料的影响

实用的高性能通用树脂首先要求它具有尽可能好的相容性。为了解决这类树脂与汽车涂料系统中常用树脂的相容性,在脂肪族聚氨酯链上引入阴离子基团,赋予树脂对极性类树脂的相容性,以及提高它对各类颜料粒子表面的亲和性,并且能够使体系具有足够的亲水性而在水中形成稳定的分散体,从而尽可能降低通用色浆用树脂对漆膜性能的影响。色浆的主要原料是颜料,而颜料的种类直接影响色浆的颜色和性能。


通常为了保证色浆的贮存稳性,需要有较高的低剪切黏度;为了保证使用方便,搅拌时应具有良好的流动性,即具有较低的中剪切黏度,因此,色浆应具有良好的触变性。随着颜料用量增加,色浆黏度随之增加,触变性变大,在一定程度上有助于贮存稳定性的提高,但颜料用量越大,分层沉淀的可能性越大,因此需添加具有防沉效果的功能性助剂,改善其贮存稳定性。试验表明,功能性助剂用量为0.4%~0.8% 时,色浆的综合性能较好。


2.3 助剂的影响

由于水的表面张力较高,在水性涂料中需添加适当的润湿剂,以降低体系的表面张力,增强其对基材的润湿性和渗透性,提高流平性和附着力。但随着润湿剂用量增加,会使涂膜吸水率增大,水敏感性增强。


实验表明,润湿剂最佳用量约为0.3%。在配制色浆过程中,需要加入大量的颜料,使用高速分散机或砂磨机等设备进行充分地机械分散。然而,颜料颗粒在体系内处于高度分散状态,其表面能相当大,颗粒在热运动作用下,相互不断碰撞,必定趋于相互结合,以减小体系的表面能,因而导致颜料絮凝、结块。加入颜料分散剂,使其表面具有一定的排斥电势,克服颜料本身存在的相互吸引力,保持体系长期稳定。


分散剂用量过大,电荷斥力作用受到过剩电荷影响而降低,大分子链段之间会产生絮凝,也会造成颗粒返粗,引起体系贮存稳定性下降。试验表明:分散剂用量在0.4%~0.7% 为宜。


在水性涂料中加入助剂,导致涂料更易产生泡沫,不仅会造成操作困难,而且在施工中会造成漆膜缺陷,使其耐水性和耐候性变差,所以消泡剂的选择至关重要。良好的消泡剂应同时具有抑泡和消泡作用,且长效消泡。但是在涂料长期贮存后,消泡剂会吸附少量的润湿剂,提高自身在涂料中的分散性、相容性,从而降低或失去消泡的能力。因此应选择具有长期高效的消泡性且不会产生漆膜缺陷的消泡剂,试验表明,消泡剂最佳用量为0.4%。


2.4 性能指标

通过对各种原材料及助剂的选择性研究,选取定量水性通用树脂,依次加入去离子水、润湿分散剂、消泡剂、颜料等进行均匀分散后研磨,再于分散条件下加入功能助剂,制得汽车涂料用水性通用色浆,其性能指标见表1。

汽车涂料用水性通用色浆的性能指标

汽车涂料用水性通用色浆的研制,通过在脂肪族聚氨酯链上引入阴离子基团,制备了对颜料润湿性和树脂相容性良好的水性通用树脂 中国机械网,okmao.com

3 结语

通过在脂肪族聚氨酯链上引入阴离子基团,使其具有足够的亲水性和贮存稳定性,制备成水性通用树脂,其对颜料润湿性和树脂相容性良好,进而通过对水性助剂和颜料的选择性研究,开发出一种高性能汽车涂料用水性通用色浆,并确定了亲水扩链剂最佳用量为3.0%~6.0%。


功能性助剂用量为0.4%~0.8%,润湿剂用量为0.3%,分散剂用量为0.4%~0.7%,消泡剂用量为0.4%,实现了低VOC 排放、水性环保、安全无毒,给施工操作带来了极大的便利。随着涂料工业的发展和环保要求的不断提高,在未来的涂料水性化发展的道路上,该通用色浆必将对我国涂料工业的发展具有极大的推动作用。


汽车涂料用水性通用色浆的研制

郭逍遥,罗 晖,汤汉良,李树伟,刘 钦 ( 广州浩宇化工科技有限公司,广东广州 510540)


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