水性丙烯酸涂料在鋁材上附著力的研究

江 濤 （中遠(yuǎn)關(guān)西涂料化工有限公司，天津 300457）

0 引言

傳統(tǒng)溶劑型涂料在使用過程中會向環(huán)境中排放大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC，Volatile Organic Compound），造成大氣污染，給人類健康帶來危害，因此在應(yīng)用過程中受到很大限制。為了適應(yīng)環(huán)保需要，采用水性涂料替代溶劑型涂料迫在眉睫。水性丙烯酸涂料無毒無味，施工性能好，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，涉及家裝，油墨以及金屬防腐領(lǐng)域。但是相較于聚氨酯涂料和環(huán)氧涂料，丙烯酸涂料對基材的附著力相對較差，尤其是在特種底材（如鋁材、不銹鋼、鍍鋅底材等）上，這限制了丙烯酸涂料的應(yīng)用。如何提高丙烯酸涂料對基材的附著力是提高丙烯酸涂料防腐性能的關(guān)鍵。

本研究制備了一款水性丙烯酸涂料，其在鋁基材上具有優(yōu)良的附著力，并在實(shí)際領(lǐng)域中獲得成功應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

原料：水性丙烯酸樹脂，分散劑，消泡劑，硅烷偶聯(lián)劑，流平劑，基材潤濕劑，成膜助劑，防霉劑，增稠劑。

設(shè)備：高速分散機(jī)，天平，細(xì)度板。

1.2 水性丙烯酸涂料的配方

水性丙烯酸涂料的配方如表1 所示。

表1 水性丙烯酸涂料的配方Table 1 Formula of waterborne coatings

1.3 水性丙烯酸涂料的性能

參照HG/T 4758—2014 標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行性能測試，水性丙烯酸涂料的性能參數(shù)如表2 所示。

表2 水性丙烯酸涂料的性能Table 2 Performances of waterborne acrylic coatings

續(xù)表2

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂的影響

Friedrich 等［1］通過試驗(yàn)證明，將極性基團(tuán)—COOH和—OH 引入到聚合物中能明顯提高聚合物與鋁材的附著力，并且極性基團(tuán)密度越大，附著力越高。Yamabe等［2］的研究表明，聚丙烯酸中的羧基能夠與鋁基材結(jié)合形成化學(xué)鍵。因此，通過對水性丙烯酸樹脂進(jìn)行改性，提高樹脂中活性基團(tuán)，如—COOH、—OH的量，使其能夠與鋁基材發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生共價(jià)鍵，是提高水性丙烯酸涂料附著力的一種有效手段。另外，共聚單體種類對附著力也有影響。胡飛等［3］的研究表明，丙烯酸丁酯在鋁基材上的滲透能力很強(qiáng)，因此，在水性丙烯酸樹脂的制備過程中，可以采用丙烯酸丁酯進(jìn)行共聚并適當(dāng)提高其含量。

2.2 納米粒子的影響

許多報(bào)道［4-5］中都提到，在涂料中加入納米粒子，如納米二氧化鈦、納米二氧化硅等可以提高涂層和基材之間的附著力，這可能是因?yàn)榧{米粒子的尺寸較小，比表面積非常大，在聚合物成膜后，納米粒子使漆膜表面變得非常粗糙，增加了漆膜表面和基材的接觸面積，從而使附著力增加。納米粒子有親油和親水改性之分，在水性涂料中，親水改性的納米粒子與體系相容性好，但是大量的親水納米粒子增加了漆膜的親水性，即使納米粒子能夠提高漆膜的初期附著力，仍大大降低了體系的濕附著力，因此，要嚴(yán)格控制親水改性納米粒子的加入量，把握好初期附著力和濕附著力之間的平衡。親油改性納米粒子不但能夠增加漆膜附著力，同時(shí)還能降低體系的親水性，提高涂層的防腐性能，但是親油改性納米粒子與水性涂料的相容性差，容易使乳液破乳，納米粒子的加入方式，加入量以及加入階段都很重要。

2.3 PVC（顏料體積濃度）的影響

涂料中的樹脂對附著力起到關(guān)鍵作用，隨著PVC的降低，涂料中樹脂含量增加，可以增加活性基團(tuán)與基材的接觸，進(jìn)而提高涂層附著力，但是PVC 過低，會導(dǎo)致漆膜硬度降低，耐酸堿性下降，同時(shí)涂料的成本將增加。提高PVC 雖然降低了涂料中活性基團(tuán)的含量，但是粉料的加入可以使漆膜表面變得粗糙，增大漆膜與基材的接觸面積，從而提高附著力。PVC 對附著力的影響如圖1 所示。由圖1 可見，當(dāng)PVC ≤17 %時(shí)，附著力能達(dá)到3級。因此本試驗(yàn)選擇PVC為17 %。

圖1 PVC 對涂層附著力的影響Figure 1 Influence of the PVC on the adhesion of coating

2.4 硅烷偶聯(lián)劑的影響

硅烷偶聯(lián)劑R1—Si—（OR）3通常作為附著力促進(jìn)劑加入到涂料體系中，—R1基團(tuán)可以與涂料中的有機(jī)樹脂進(jìn)行反應(yīng)，—（OR）3水解生成的—OH 能夠與金屬基材的—OH 進(jìn)行反應(yīng)，從而使硅烷偶聯(lián)劑起到橋梁作用，增加了涂層的附著力，如圖2 所示。硅烷偶聯(lián)劑的加量對涂層附著力的影響見圖3。當(dāng)體系PVC 為17 %時(shí)，隨著硅烷偶聯(lián)劑加量的增加，涂層附著力逐漸提高，當(dāng)其加量達(dá)0.6 %時(shí)，附著力達(dá)到1 級。因此配方中硅烷偶聯(lián)劑的加量定為0.6 %。

圖2 硅烷偶聯(lián)劑的作用機(jī)理Figure 2 Action mechanism of the silane coupling agent

圖3 硅烷偶聯(lián)劑加量對涂層附著力的影響Figure 3 Influence of the amount of silane coupling agent on adhesion of coating

2.5 其他因素的影響

水性涂料以水為溶劑，水的表面張力較大，對基材潤濕差，通常在水性涂料體系中要加入基材潤濕劑來降低水的表面張力，從而有利于涂料在鋁基材上的鋪展，涂料中的有效物質(zhì)才能夠與鋁基材進(jìn)行很好的接觸，從而提高涂層對鋁基材的附著力。另外，鋁制基材表面的粗糙程度對涂層附著力的影響也很大。光滑的鋁表面與涂層錨定的面積較少，不利于附著力的提高，施工前，如果能夠?qū)倪M(jìn)行打磨，提高基材表面的粗糙度，增加基材表面的孔隙，使涂料能夠浸潤到這些孔隙當(dāng)中，提高涂層與基材的接觸面積，能夠在很大程度上提高涂層的附著力。

3 應(yīng)用

該水性丙烯酸涂料已在青島某閥門制造公司的鋁型材上成功使用，作為單組分涂料，涂裝便利，附著力優(yōu)異；同時(shí)作為水性產(chǎn)品，大大減少了有機(jī)溶劑的排放和危害，且在成本上優(yōu)勢明顯，全面替代了進(jìn)口產(chǎn)品。

4 結(jié)語

采用乳液型水性丙烯酸樹脂作為涂料的樹脂體系，通過配方調(diào)試，確定PVC 為17 %，加入0.6 %的硅烷偶聯(lián)劑，制得了貯存穩(wěn)定性良好，在鋁制基材上附著力良好的水性丙烯酸單組分涂料。