高性能水性丙烯酸氨基烤漆的研制

2020-03-31

0 前 言

水性丙烯酸氨基烤漆是以羟基丙烯酸酯、氨基树脂等为成膜物质,复配颜填料及功能助剂制备而成的一种集装饰、防护为一体的多功能涂料,其VOC含量低、绿色环境友好,可用于金属、塑料、玻璃、陶瓷等表面涂装。然而,水性丙烯酸氨基烤漆也由于其表面张力大、水分挥发慢、树脂与填料兼容性不好等原因,导致其施工难度大,涂层表面缺陷多,耐盐雾、耐酸碱等性能不佳。对水性丙烯酸氨基烤漆配方及性能进行改进一直是人们研究的重点,于国玲等研究了不同厂家水性丙烯酸树脂、水性氨基树脂和中和剂等对水性氨基烤漆性能的影响,发现以国产水性丙烯酸树脂(JCW2862)为成膜树脂,聚合型高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂(5747)为交联剂,二者质量比为41,用N,N–二甲基乙醇胺(DMEA)为中和剂,控制pH值为8左右时,所得水性烤漆综合性能最佳;田会社等选用特殊水性丙烯酸树脂与改性聚酯树脂混拼,同时搭配不同氨基树脂、助剂、防锈填料等,制备了一种高装饰性长效防腐氨基烤漆,发现当m(丙烯酸树脂)m(氨基树脂)(固体分)41时,改性聚酯添加量占丙烯酸树脂的25%(质量分数)时,氨基烤漆光泽度高,机械性能最佳,而当固、液复合防锈颜料质量比为31时,烤漆耐盐雾最好;祁艳东等以水性环氧改性丙烯酸树脂作为主要成膜物质,搭配高亚氨基甲醚化氨基树脂作为固化剂,选用合适的防锈料、消泡剂、防沉剂等原料,制备了水性丙烯酸氨基烤漆,其具有好的耐候性和防腐性能,可用于沟槽管件浸涂施工。水性丙烯酸氨基烤漆的研究虽然取得了一定的进展,但与溶剂型丙烯酸氨基烤漆相比还存在一定差距,仍需要人们继续开发研究。因此,本文进一步实施水性丙烯酸氨基烤漆配方工艺优化研究,重点考察了附着力促进剂、酸催化剂等功能助剂,及氨基树脂与羟基丙烯酸树脂质量比和防锈颜料用量等配方比例对水性氨基烤漆性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料及设备

实验所用原料及主要设备如表1、表2所示。

1.2 实验方法

1.2.1 三聚磷酸铝(ATP)防锈浆料制备

往砂磨机配料桶中加入一定量的水,搅拌过程中加入ATP和与其质量比分别为5%0.5%BYK190BYK024,混合均匀后,开动隔膜泵,将配料桶中浆料注入到球磨机内腔中进行研磨,浆料注入速率设定为5 L/min,研磨转速设定为300 r/min,研磨介质为ZrO2,粒径1.0 mm,研磨时间为240 min,整个研磨过程中,通过冷水机制冷液(5 )循环,防止球磨体系过热,研磨结束后,得ATP浆料(固含量20%),备用。

1.2.2 水性氨基烤漆制备

水性氨基烤漆基本配方见表3。首先往羟基丙烯酸树脂中加入一定量DMEA来质子化树脂,待其溶于水后,依次加入防锈浆料、氨基树脂及各类功能助剂,继续搅拌1 h,出料,黏度约40 s(-4#)

1.2.3 水性氨基烤漆涂层制备及性能测试

将制备好的水性丙烯酸氨基烤漆经120目滤布过滤后,喷涂至表面已清洗干净的铝合金板、碳钢板表面或马口铁板表面(表面光滑,未经喷砂或抛丸处理,无油无锈,其中:铝合金,型号6061,尺寸150 mm×75mm×1 mm;碳钢板,型号Q325,尺寸150 mm×75mm×1 mm;马口铁板,尺寸120 mm×50 mm×0.3 mm),空气中晾干10 min后,转入烘箱中,升温至150 ℃,固化20 min后取出,厚度(25±5) μm;根据GB/T 92861998测试涂层附着力;根据GB/T 67392006测试涂层铅笔硬度;根据GB/T 17321993测试涂层耐冲击性能;根据GB/T 17331993测试涂层耐水性;根据GB/T 17712007测试涂层耐中性盐雾性能,具体为:将带有涂层的碳钢板采用石蜡、松香封边,涂层表面未经划叉、划线等处理,从涂层放入到盐雾箱中开始到涂层缺陷面积达0.1%A0.25%(GB/T 64612002)时经历的时间定义为涂层耐盐雾时间。耐冲击及耐中性盐雾测试分别使用马口铁板和碳钢板为基材,其他性能测试均以铝合金板为基材。

2 结果与讨论

实验选用羟基丙烯酸二级分散体作为主要成膜物质,其首先在DMEA作用下发生质子化,变成水溶性,后与交联剂氨基树脂、各类功能助剂及颜填料一起混合于水性体系中,制备水性丙烯酸氨基烤漆。烤漆中各种功能助剂及用量、氨基树脂与羟基丙烯酸树脂质量比和防锈颜料用量等因素对烤漆性能有重大影响。

2.1 附着力促进剂对烤漆性能影响

水性丙烯酸氨基烤漆树脂中有羟基、氨基等活性基团,在表面喷砂或抛丸处理的金属表面有较好附着力,但在表面未经喷砂或抛丸处理的金属表面,其附着力往往较差,因此,需要在其配方中添加附着力促进剂。实验选用了2063606361053种附着力促进剂,其化学结构中均含有磷酸酯单元,能增强与金属间键合,当其用量占表3基本配方总量1%(质量分数)时,涂层各项性能见表4。由表4可知,当基本配方中不添加附着力促进剂时,涂层附着力为3级,铅笔硬度为2H,抗冲击性为10 kg · cm,耐水、耐盐雾测试各24 h后涂层就发生脱落和点蚀;而添加1%(质量分数,后同)附着力促进剂后,各涂层附着力均提高至1级,其他力学性能及耐水、耐盐雾性能也发生明显提高。鉴于3种附着力促进剂增强效果类似,实验继续选用附着力促进剂6105,来考察其不同用量对涂层性能的影响。发现,当6105用量增加至3%时,涂层附着力提升至0级,耐冲击、耐水、耐盐雾等性能也较1%2%添加量时有明显增强,这说明附着力促进剂在烤漆配方中起到了关键作用。

2.2 氨基树脂与羟基丙烯酸树脂质量比对烤漆性能影响

优选出附着力促进剂6105占基本配方总量3%(质量分数)后,继续考察氨基树脂与羟基丙烯酸树脂质量比对烤漆性能影响,结果见表5。由表5可知,当氨基树脂与羟基丙烯酸酯质量比为1716时,由于交联剂氨基酸树脂用量偏少,涂膜固化不完全,致密度低,因此涂层硬度、耐水性、耐盐雾等性能较差;增加氨基树脂与羟基丙烯酸酯质量比至1514时,涂膜固化反应逐渐趋于完全,各项性能不断提升;但若继续增加氨基树脂与羟基丙烯酸酯质量比至13时,又由于交联反应速率过快,导致涂膜产生裂痕、气泡、痱子等缺陷,反而降低了涂膜耐水、耐盐雾等性能。另外,由于氨基树脂用量增多,涂膜硬度发生增强,但柔软性发生降低,因此涂膜耐冲击性能也有所下降。综合考虑,当氨基树脂与羟基丙烯酸酯质量比为15时,水性氨基烤漆性能最佳。

2.3 酸催化剂对烤漆性能影响

酸催化剂为一类封闭型酸,在高温下解封,能催化羟基丙烯酸树脂中羟基、氨基、羧酸基与交联剂氨基树脂反应,能降低水性氨基烤漆固化温度,减少能耗,且对涂层密着性、耐腐蚀性、柔韧性和抗冲击性有很大的影响。因此,在上述研究基础上,继续考察酸催化剂对烤漆性能影响。实验选用的酸催化剂为美国金氏酸催化剂X49-110,当其用量占表3基本配方1.0%(质量分数)时,烤漆在不同固化温度下的性能见表6。由表6可知,当固化温度从150 ℃降低至135 ℃时,烤漆性能基本没有改变;而当固化温度为130 ℃时,由于温度过低,固化不完全,导致烤漆性能发生下降。实验还进一步提高了酸催化剂质量分数至1.5%2.0%,发现其对继续降低烤漆固化温度效果不在明显。因此,酸催化剂最佳用量为1%(质量分数),加入后能将水性氨基烤漆固化温度从150 ℃降低到135 ℃。

2.4 防锈颜料对烤漆性能影响

纳米粒径磷酸盐系防锈颜料不含重金属元素,无毒环境友好,显效及时,防腐性能好,是当前最具发展前景的一类绿色防锈颜料。实验首先通过纳米砂磨机加工制备出粒径约100 nm的三聚磷酸铝(ATP)浆料(见图1),后将其加入到水性丙烯酸氨基烤漆配方中,考察其对烤漆性能的影响。表3基本配方中ATP浆料的质量分数为15%(ATP质量分数为3%),实验若增减其质量分数,则相应调整水的质量分数来保持配方平衡,实验结果见表7。由表7可知,ATP对烤漆耐盐雾性能影响要大于对其他性能影响,当其质量分数为0时,烤漆耐盐雾时间为168 h。而当其质量分数增加至5%时,烤漆耐盐雾性能逐渐增强,最后达500 h,与文献中报道的最好结果类似。这说明在烤漆中纳米ATP发挥了作用,其析出的磷酸根与金属基材发生复合反应,生成了钝化膜层,提高了烤漆防腐性能。但继续增加纳米ATP质量分数至6%,烤漆防腐性能又开始下降,这与纳米ATP大量加入,导致涂层表面产生缺陷有关。因此,当ATP质量分数为5%时,水性氨基烤漆综合性能最佳。表8显示了经配方工艺优化后,水性氨基烤漆最佳配方组成及其性能。

3 结 语

实验开展高性能水性丙烯酸氨基烤漆配方工艺研究,重点考察了附着力促进剂、酸催化剂、氨基树脂与丙烯酸树脂质量比及防锈颜料等配方比例对烤漆性能影响,得到了铅笔硬度2H、附着力0级、耐冲击50kg · cm、耐盐雾500 h、耐水300 h的水性氨基烤漆,该烤漆固化温度135 ℃,固化时间20 min,其铅笔硬度、耐冲击、耐水等性能高于HG/T 25941994《各色氨基烘干磁漆》标准要求(附着力、耐盐雾性能标准中未做规定)。另外,实验还获得如下结论。

(1)3种附着力促进剂206360636105的质量分数为1%时,均能提高烤漆附着力、铅笔硬度、耐冲击及耐水、耐盐雾等性能,而当附着力促进剂6105质量分数为3%时,烤漆综合性能最佳。

(2)氨基树脂与羟基丙烯酸树脂质量比过低,则烤漆固化不完全,涂层硬度低,耐水、耐盐雾性能弱;若过高,则烤漆硬度高,涂层表面缺陷多,最后,当其质量比为15时,烤漆综合性能最佳。

(3)酸催化剂能促进丙烯酸树脂与氨基树脂反应,其最佳用量为1%(质量分数),能将水性氨基烤漆固化温度从150 ℃降低到135 ℃。

(4)纳米粒径三聚磷酸铝防锈颜料能在金属表面形成钝化膜层,当其质量分数从0增加到6%时,烤漆耐盐雾性能先不断增强后又开始降低;当其质量分数为5.0%时,烤漆耐盐雾时间最长,达500 h

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