用核殼丙烯酸乳液制備水性金屬閃光底色漆*

陳秀麗，趙愛娟，高海榮，吳　坤，李新紅，衛(wèi)世乾

(1 鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州 450054；2 許昌學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，河南許昌 461000)

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用核殼丙烯酸乳液制備水性金屬閃光底色漆*

陳秀麗1，趙愛娟1，高海榮1，吳坤1，李新紅1，衛(wèi)世乾2

(1 鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州 450054；2 許昌學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，河南許昌 461000)

摘要：以核殼丙烯酸乳液、鋁粉、助劑等為原材料，制備水性金屬閃光底色漆，克服了傳統(tǒng)涂料對環(huán)境污染大的缺陷。通過對不同原材料進(jìn)行篩選，使產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化，直至達(dá)到以下指標(biāo)：目測無結(jié)塊，無機(jī)械雜質(zhì)，表干時(shí)間30min，固含量30%，粘度75s(涂-4杯/25℃)，耐沖擊性50kg·cm，附著力1級，柔韌性1mm，其制備的底色漆有很好的應(yīng)用前景，且符合綠色化學(xué)的要求。

關(guān)鍵詞：核殼丙烯酸乳液，鋁粉漿，金屬閃光底色漆

九十年代以前大多數(shù)的油漆都是調(diào)合漆，由于其使用可揮發(fā)有機(jī)溶劑，而溶劑中含有甲苯、二甲苯、重金屬等多種污染物[1]。隨著人們的生活水平逐步提高，未來幾年汽車增量將依然居高不下[2]。目前國內(nèi)汽車工業(yè)用漆仍以油性涂料為主，其中80%為可揮發(fā)有機(jī)物，在生產(chǎn)及涂裝過程中有大量VOC揮發(fā)在空氣中[3]。新興的水性涂料以水作為分散介質(zhì)，在達(dá)到傳統(tǒng)涂料相同涂裝效果的同時(shí)大大降低了VOC的排放，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)油性涂料污染環(huán)境的這一缺陷[4]。

目前關(guān)于水性金屬閃光底色漆的研究有很多[5-9]，本文所采用的核殼丙烯酸乳液，具有顏色淺、透明度高，不與鋁粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有優(yōu)異的層間附著力等特點(diǎn)，是做水性金屬底漆的理想原材料。由其配置的水性金屬閃光底色漆，最大限度地減少了對油漆濕膜狀態(tài)顏色的干擾，能夠滿足汽車涂裝所需要的快速調(diào)色的要求。其在光線的照射下，可以從不同深處反射出閃爍的金屬光澤，起到良好的裝飾效果，因此金屬底色漆廣泛應(yīng)用于家用電器、汽車、家具等。水性涂料以水作為分散介質(zhì)，相較于傳統(tǒng)的油性涂料，減少了可揮發(fā)有機(jī)溶劑的用量，更加綠色環(huán)保，符合綠色化學(xué)的要求。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原材料

樹脂：8330核殼丙烯酸乳液(德國拜耳)、6038核殼丙烯酸乳液(山西佳宇)、HG-54C核殼丙烯酸乳液(美國陶氏化學(xué))；鋁粉：EFK501(德國)、WXM7160(日本東洋)、新博來E2776(美國)；消泡劑：TEG0810(德國迪高)、TEG0901W(德國迪高)、BYK024(德國畢克)、TECH363(德國畢克)；增稠劑：膨潤土、羥乙基纖維素、聚丙烯酸鹽、丙烯酸堿溶脹類、聚氨酯類增稠劑TEGO306；中和劑：二甲基乙醇胺(DMEA，分析純)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP-95，分析純)、N-甲基乙醇胺(分析純)、氨水(分析純)、三乙胺(TEA，分析純)、三乙醇胺(分析純)；潤濕劑：BYK-348(德國畢克化學(xué))、W-77(海明斯德謙)；其它助劑：助溶劑，流平劑，成膜助劑。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

DFC-4高速分散機(jī)(四川常信源)、W-17重力式噴槍(無錫市洪旭機(jī)器制造廠)、沖擊測試儀(蘇州蘇試試驗(yàn)儀器股份有限公司)、柔韌性測定儀(蘇州蘇試試驗(yàn)儀器股份有限公司)、恒溫烘箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療)、涂-4粘度杯、180目濾網(wǎng)、馬口鐵板。

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1水性鋁粉漿的制備

將水性鋁粉、去離子水和潤濕劑按15∶15∶1(按質(zhì)量比計(jì)量)加入燒杯，低速攪拌5min，靜置24h，待用[10]。

1.3.2水性閃光漆的制備

將水性核殼丙烯酸乳液200g加入調(diào)漆罐中，500r/min高速分散下依次加入增稠劑1g，消泡劑1g，流平劑1g，待所有材料完全加入后，攪拌轉(zhuǎn)速調(diào)整至2000r/min高速攪拌20min，停止攪拌，用180目濾網(wǎng)過濾備用，將浸泡好的鋁銀漿攪拌均勻后，在過濾狀態(tài)下將其40g加入到過濾好的水性樹脂液中，加入成膜助劑2g，500r/min攪拌5min至分散均勻，用中和劑調(diào)整pH值至8～9，水性金屬閃光底色漆基本配方如表1所示。

表1　水性金屬閃光底色漆基本配方表

2　結(jié)果與討論

按照1.3中的實(shí)驗(yàn)步驟改變部分變量進(jìn)行操作。以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是三次平行實(shí)驗(yàn)的平均值。

2.1中和劑的物性對水性金屬閃光底色漆性能的影響

在制備過程中，需要中和劑調(diào)節(jié)體系的pH值，經(jīng)常使用的中和劑有AMP-95、DMEA、三乙胺、氨水、TEA、MMAE等，中和劑的揮發(fā)性、酸堿性、沸點(diǎn)等都對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很重要的影響，其物性如表2所示。

表2　中和劑的物性指標(biāo)

由表2可知，除DMEA、氨水和三乙胺外，其他的中和劑沸點(diǎn)在150℃以上。蒸氣壓越低，沸點(diǎn)越高，同時(shí)在漆膜中的殘留時(shí)間會越長，導(dǎo)致漆膜達(dá)到最優(yōu)性能指標(biāo)的時(shí)間就會加長，在制板檢測時(shí)，需要養(yǎng)護(hù)的時(shí)間就越長。

AMP-95特點(diǎn)是能溶于水，具有調(diào)節(jié)和穩(wěn)定pH值、促進(jìn)顏料分散、提高樹脂溶解性等作用，但其蒸氣壓太低，容易在漆膜殘留[11]。DMEA由于其具有較高蒸氣壓和較低的沸點(diǎn)，其pKa值低于AMP-95，因此pH調(diào)節(jié)性不如AMP-95，但揮發(fā)速率適中，適合用于工業(yè)防腐漆[12]。如果涂料常溫干燥，可以使用三乙胺來中和；如果需要在80℃左右干燥，可以使用DMEA來中和；如果在130℃以上溫度干燥，則可用AMP-95來中和[13]。在本試驗(yàn)中，由于需要80℃高溫貯存，并且保持穩(wěn)定的pH值，綜合表2數(shù)據(jù)，因此選擇DMEA作為中和劑。

2.2鋁粉的穩(wěn)定性對水性金屬閃光底色漆性能的影響

鋁粉漆的好壞主要是其穩(wěn)定性能決定，本實(shí)驗(yàn)通過以下方法測試鋁粉漆的穩(wěn)定性：分別秤取鋁粉EFK501、WXM7160、新博來E2776各50g，加入50g去離子水，按1.3.1制成鋁漿，將制得的鋁漿裝入密閉容器中，把容器放入50℃的烘箱中。以5d為一個(gè)循環(huán)進(jìn)行烘烤，然后取出后冷卻至20℃，之后將容器蓋輕輕開啟，稱量此時(shí)的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)并與初始質(zhì)量進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

表3　鋁粉的穩(wěn)定性對水性金屬底漆性能的影響

綜合表3數(shù)據(jù)可知：經(jīng)過三次烘烤循環(huán)后，由EFK501制得的鋁漿質(zhì)量損失最少，說明該鋁粉穩(wěn)定性較好，不易被氧化，為此選擇EFK501作為本實(shí)驗(yàn)的鋁粉。

2.3不同潤濕劑對水性金屬閃光底色漆性能的影響

直接將水性鋁粉加入到金屬底漆中，鋁粉容易結(jié)團(tuán)成粒，分散十分困難，噴涂后涂膜表面效果很差，為此在實(shí)驗(yàn)中加入少量含親和基團(tuán)的高分子濕潤劑加以分散，使鋁粉排列呈現(xiàn)一定的規(guī)律，并起到錨固的作用。

分別取水性鋁粉(EFK501)三份，每份15g，其中兩份分別加入潤濕劑(BYK-348)和潤濕劑(W-77)各1g，剩余一份作空白對照。分別向三份混合物中加入15g去離子水，按1.3.1制成鋁銀漿。每份鋁銀漿中分別加入8330水性核殼丙烯酸乳液100g，觀察分散狀況和鋁粉色澤，結(jié)果如表4所示。

表4　潤濕劑對水性金屬底漆性能的影響

綜合表4的各項(xiàng)性能參數(shù)，用潤濕劑W-77，可使鋁粉分散更均勻，且鋁粉能保持原本色澤，因此選W-77為本實(shí)驗(yàn)的潤濕劑。

2.4不同增稠劑對水性金屬閃光底色漆性能的影響

按實(shí)驗(yàn)步驟1.3，分別取膨潤土、羥乙基纖維素、聚丙烯酸鹽、丙烯酸堿溶脹類、聚氨酯類(TEGO3060)各1g，分別加入調(diào)漆罐中，記錄上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　增稠劑對水性金屬底漆性能的影響

增稠劑種類主要有無機(jī)增稠劑、纖維素類、聚丙烯酸酯和締合型聚氨酯增稠劑四類[14]。綜合表5增稠劑的分層效果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，除丙烯酸堿溶脹類增稠劑，所用增稠劑的分層效果都可達(dá)到要求。但膨潤土由于親水性太強(qiáng)，在成膜后會影響漆膜的耐水性能，繼而影響水性涂料性能；羥乙基纖維素增稠效率很高，然而其不耐儲存，長期貯存會導(dǎo)致酸敗，會影響產(chǎn)品性能；聚丙烯酸鹽在長期貯存的過程中粘度會發(fā)生變化，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定；聚氨酯類增稠劑是近年來新開發(fā)的締合型增稠劑，增稠效率高且穩(wěn)定，不影響漆膜的耐水性，故選擇聚氨酯類增稠劑TEGO3060作為體系的增稠劑。

2.5不同選消泡劑對水性金屬閃光底色漆性能的影響

分別向盛有200g 8330水性核殼丙烯酸乳液的4個(gè)調(diào)漆罐中加入1g的TEG0810、TEG0901W、BYK024、TECH363，每份試液都加入增稠劑TEGO3060 1g、流平劑1g和去離子水50g，其它實(shí)驗(yàn)步驟按1.3，停止攪拌后，記錄消泡劑的消泡時(shí)間；消泡結(jié)束后，取適量試液涂在馬口鐵板上，使其風(fēng)干，觀察有無縮孔現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6　消泡劑對水性金屬底漆性能的影響

由表6數(shù)據(jù)可知，消泡劑TEGO810消泡時(shí)間較短，且無縮孔，可滿足實(shí)驗(yàn)要求，因此選擇消泡劑TEGO810此作為體系的消泡劑。

2.6不同核殼丙烯酸乳液對水性金屬閃光底色漆性能的影響

分別取8330、6038、HG-54C水性核殼丙烯酸乳液各200g，加入調(diào)漆罐中，加入TEGO3060增稠劑1g，TEGO810消泡劑1g，流平劑1g，用二甲基乙醇胺調(diào)整pH值，其它實(shí)驗(yàn)步驟按1.3。用三種樹脂制備的水性金屬閃光底色漆的性能指標(biāo)如表7所示。

表7　水性核殼丙烯酸乳液對水性金屬底漆性能的影響

*(附著力0→5級代表優(yōu)→差)

通過表7數(shù)據(jù)分析，由8330制得的底色漆，附著力和硬度比HG-54C和6038優(yōu)異，各項(xiàng)性能較均衡，故綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇8330作為水性閃光漆的主體樹脂。

3　產(chǎn)品制板及檢測方法

3.1產(chǎn)品制板

本實(shí)驗(yàn)用馬口鐵板作為實(shí)驗(yàn)底材，用乙醇除油、除水，晾干后即可噴涂水性金屬閃光底色漆。在原漆中加入30%～40%的去離子水，調(diào)整施工黏度在涂-4杯 20s～30s，用W-17重力式噴槍噴涂，調(diào)節(jié)槍內(nèi)氣壓為1.5×105Pa～2.0×105Pa，噴涂距離為10cm～20cm，噴涂2～3道，每道在80℃左右閃干5min～10min(至表干)，檢測水性金屬閃光底色漆的性能。

3.2產(chǎn)品檢測

通過篩選原材料，使產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化，最終得到最優(yōu)產(chǎn)品。通過對制備的底色漆進(jìn)行測定，其漆液狀態(tài)、表干時(shí)間、固含量、粘度、耐沖擊性、附著力、柔韌性性能指標(biāo)如表8所示。

從表8可以看出，所制備的水性金屬閃光底色漆達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，而且效果很好。

表8　水性金屬閃光底色漆性能指標(biāo)

4　結(jié)束語

本研究在基礎(chǔ)配方的前提下，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)篩選，樹脂選用8330水性核殼丙烯酸乳液，消泡劑是乳液型的TEGO810，增稠劑選擇聚氨酯類增稠劑TEGO3060，用二甲基乙醇胺作中和劑，潤濕劑選用W-77，制成的水性金屬閃光底色漆。經(jīng)測定性能如下：目測無結(jié)塊，無機(jī)械雜質(zhì)，表干時(shí)間30min，固含量30%，粘度75s(涂-4杯/25℃)，耐沖擊性50kg·cm，附著力1級，柔韌性1mm。相較于傳統(tǒng)油性涂料，該產(chǎn)品各項(xiàng)性能優(yōu)異，并降低了可揮發(fā)有機(jī)溶劑的用量，有著很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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*基金項(xiàng)目：河南省高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A150084)

通訊作者：衛(wèi)世乾，河南省許昌學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部理科編輯室主任，碩士，編輯，研究方向：材料合成及分析化學(xué)；E-mail：Wsq060701@126.com；Tel：13938771180

中圖分類號：TQ 633

Preparation of Water-borne Metallic Basecoat with Core-shell Acrylic Emulsion

CHEN Xiu-li1，ZHAO Ai-juan1，GAO Hai-rong1，WU Kun1，LI Xin-hong1，WEI Shi-qian2

(1 School of Chemistry and Chemical Engineering，Zhengzhou Normal University，Zhengzhou 450044，Henan，China；2 Journal of Xuchang University，Xuchang University，Xuchang 461000，Henan，China)

Abstract：The water-borne metallic basecoat was prepared by using core-shell acrylic emulsion，aluminum powder，additives etc for raw materials，which overcame the shortcomings of traditional coating pollution to the environment in this paper.By screening different raw materials，product performance optimized until reach the following indicators：visual no lumps，no mechanical impurities，dry time 30min，solid content of 30%，viscosity 75s(Tu -4 cup/25℃)，resistance impact of 50(kg·cm)，adhesion 1 grade，flexibility 1mm. The preparation of primer have good application prospect and meet the requirements of green chemistry.

Key words：core-shell acrylic emulsion，aluminum silver paste，metallic basecoat