汽車水性金屬閃光底色漆的研制與應(yīng)用

傳統(tǒng)的汽車金屬閃光涂層由溶劑型金屬底色漆+罩光清漆組成。其中，罩光清漆、金屬閃光底色漆由于其固含量低，VOC（揮發(fā)性有機化合物）排放量占涂料總量的66%，達到230g/m²以上^[1]。這不但浪費了資源，更會污染環(huán)境，同時也存在火災(zāi)隱患。水性涂料因其VOC含量極低且節(jié)省能源，已成為現(xiàn)代涂料工業(yè)發(fā)展的主流方向。2010年6月1日實施的GB24409-2009《汽車涂料中有害物質(zhì)限量》，加速了汽車涂料水性化的發(fā)展進程。

金屬閃光底色漆，是一種用于中涂層和罩光清漆之間的涂料，其主要起著色、遮蓋和裝飾作用。罩光清漆賦予漆膜高光澤、鮮映性和優(yōu)良的物化性能。金屬閃光涂層以其豐富的色彩、優(yōu)異的隨角異色效應(yīng)、高雅氣派的裝飾效果、超強的防腐保護性能收到人們的青睞。近十年來，用于汽車涂裝的金屬閃光漆已占汽車涂料的60%左右^[2]。水性金屬閃光底色漆+罩光清漆的涂裝體系，因具有VOC含量低、干燥快、硬度高、抗沖擊、附著力強、閃光效果好、防腐性能優(yōu)異、綠色環(huán)保、施工安全方便等優(yōu)點，發(fā)展前景良好。本研究就汽車水性金屬閃光底色漆的研制與應(yīng)用進行討論。

1試驗部分

1.1原材料

水性飽和聚酯樹脂，南方樹脂廠；303甲醚化氨基樹脂，美國氰特；乙二醇丁醚，陶氏；PCR501水性閃光鋁粉，愛卡；BYK-192分散劑，畢克；Tego270潤濕劑，迪高；EFKA2580消泡劑，愛夫卡；BYK-346流平劑，畢克；異丙醇，市售；BYK-8421銀粉定向劑，畢克；增稠劑、AMP-95中和劑，陶氏；去離子水，自制。

1.2基礎(chǔ)配方

水性金屬閃光底色漆的基礎(chǔ)配方見表1。

表1  水性金屬閃光底色漆的基礎(chǔ)配方

Table 1  Basic formula of waterborne metallic glitter base paint

   1.3制備工藝

（1）鋁銀漿的制備：將乙二醇丁醚與水性鋁粉混合，并加入分散劑，低速攪拌20～30min,然后靜置陳化24h，代用。

（2）將水性聚酯樹脂加入分散罐內(nèi)，在400r/min轉(zhuǎn)速下邊攪拌邊加入甲醚化氨基樹脂、消泡劑、潤濕劑、流平劑、異丙醇、銀粉定向劑、去離子水，分散3～5min,加入AMP-95中和劑，調(diào)整體系pH為8～8.5，加入鋁銀漿，繼續(xù)攪拌5min，再加入增稠劑，調(diào)整體系黏度至80～85s（涂-4杯）過濾，出料。

1.4試驗儀器及設(shè)備

分散機、涂-4杯黏度計、硬度測試儀、附著力測試儀、沖擊測試儀、柔韌性測試儀、測色分光光度儀、光源燈箱等。

1.5試板的制備                                                                            

馬口鐵板用酒精擦拭干凈，噴涂水性金屬閃光底色漆：黏度（涂-4杯）25～35s；噴槍空氣壓力300kPa,噴距30～40cm；室溫（25℃左右），相對濕度（60±5）%，風(fēng)速0.4m/s;濕碰濕噴涂2～3道，前一道噴完后閃干5min再噴下一道，噴涂完成后于60～80℃預(yù)烘5min，再于160℃烘烤20min，干膜厚度20～25um。

2結(jié)果與討論

2.1水性樹脂的選擇

樹脂是涂料形成連續(xù)性立體網(wǎng)狀涂膜的主要物質(zhì)，是決定涂膜物化性能的關(guān)鍵材料。樹脂的選擇對金屬閃光漆的性能影響很大，不但影響涂膜的物化性能，而且會影響效應(yīng)顏料的閃光指數(shù)。水性金屬閃光底色漆的基體樹脂，必須具有低酸值、顏色淺、透明度高、對效應(yīng)顏料潤濕性好、不與鋁粉反應(yīng)等特點，以及優(yōu)良的理化性能和卓越的耐候性能。

水性丙烯酸樹脂和水性飽和聚酯樹脂中都含有一定數(shù)量的羥基、羧基、酰胺基、醚基等極性親水基團，加入有機胺與羧基中和后，可以達到無限水溶狀態(tài)。但水性丙烯酸氨基烤漆的涂膜硬度高、柔韌性低、耐沖擊性較差；水性飽和聚酯氨基烤漆的涂膜硬度適中，柔韌性好、耐沖擊性強，且物化性能好，因此水性聚酯樹脂更適用于作為金屬閃光底色漆的成膜物。

一般水性飽和聚酯樹脂的耐水解性較差，影響涂料的貯存穩(wěn)定性和.終涂膜的物化性能，選擇高耐水解的水性飽和聚酯樹脂品種尤為重要。本研究選擇相對分子質(zhì)量大（15000）且相對分子質(zhì)量分布較窄、呈線型結(jié)構(gòu)的柔性聚酯樹脂，其涂膜交聯(lián)密度大、柔韌性好，涂膜彎曲性、耐沖擊性強，涂料耐水解、貯存穩(wěn)定性好、綜合性能優(yōu)。

在基礎(chǔ)配方中其他組份不變的前提下，改變水性飽和聚酯樹脂的用量，考察其對水性金屬閃光底色漆性能的影響，結(jié)果見表2。

表2  水性飽和聚酯樹脂用量對涂膜性能的影響

Table 2  Effect of the amount of water-based saturated polyester resin on the properties of the coating film

由表2可知，在表2樹脂用量范圍內(nèi)，隨著水性飽和聚酯樹脂用量的增加，涂膜的鉛筆硬度、光澤、耐沖擊性相應(yīng)提高，附著力變化平穩(wěn)，柔韌性提高；當(dāng)樹脂用量達到45%（質(zhì)量分數(shù)）時，涂膜的各項性能取得良好平衡。

2.2 交聯(lián)劑的選擇^[3-4氨基樹脂是飽和聚酯樹脂常用的交聯(lián)劑。全甲醚化氨基樹脂固含量為98%，部分甲醚化氨基樹脂固含量為75%～80%。用全甲醚化氨基樹脂為交聯(lián)劑形成的涂膜柔韌性好，用部分甲醚化氨基樹脂做交聯(lián)劑形成的涂膜硬度高、剛性強。本研究選擇全甲醚化的六甲氧基甲基三聚氰胺樹脂為交聯(lián)劑，與其水性飽和聚酯樹脂與氨基樹脂的配比（固/固），其對涂膜性能的影響見表3。

表3  聚酯樹脂與氨基樹脂的配比對涂膜性能的影響

Table 3  Effect of the ratio of polyester resin and amino

resin on coating film properties

由表3可知，在氨基樹脂用量不變的情況下，隨著聚酯樹脂用量的增加，涂膜附著力逐漸提高、鉛筆硬度降低、柔韌性提高、耐沖擊性增強、耐老化性和耐鹽霧性提高。當(dāng)飽和聚酯樹脂與氨基樹脂的質(zhì)量比（固/固）為3.5～4:1時 ，涂膜的綜合性能良好。

2.3效應(yīng)顏料的選擇^[5]

衡量金屬閃光漆裝飾效果的重要指標(biāo)是涂膜的隨角異色效應(yīng)和光澤。鋁粉顏料顆粒越粗、形狀越圓、反光比例越高，就越亮白，閃光指數(shù)（FI）越高，隨角異色效應(yīng)越好；顏料顆粒越細，粒子結(jié)構(gòu)越不規(guī)則，散射光的比例就越高，看上去越均勻、柔和，遮蓋力越高，鮮映性（DOI）越好。水性金屬閃光漆對鋁粉的選擇性非常嚴格，普通鋁粉在水中會產(chǎn)生氫氣，在貯存過程中會出現(xiàn)脹桶現(xiàn)象。因此需要對鋁粉進行SiO₂無機包覆處理。

本研究選擇了德國愛卡公司的STAPA Hydrolan214(粒徑32um)、501（粒徑21um）、2154（粒徑18um）進行試驗，用量為6%，制得的水性金屬閃光底色漆的性能比較見表4。

表4  不同粒徑的鋁粉對涂膜性能的影響

Table  Effect of different particle sizes of aluminum

powder on coating film properties

由表4可見，粒徑較大的水性鋁粉的閃光效果優(yōu)于小粒徑鋁粉，這是因為粒徑較大的鋁粉形狀較規(guī)則，反光比例較高，片狀排列較平整所致；小粒徑鋁粉遮蓋力較好，但因形狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則，散射光比例高、反光比例少，因此閃光指數(shù)較低，但涂膜細膩柔和、鮮映性好?？筛鶕?jù)需要選取不同粒徑的水性鋁粉，也可以將較大粒徑鋁粉與小粒徑鋁粉以適當(dāng)比例搭配使用，達到取長補短的目的。

2.4水性鋁粉定向劑的選擇

由于閃光鋁粉的三維尺寸（徑厚比約50）和普通顏料相差較大，其密度大，在涂料中易沉淀，在涂膜干燥過程中片狀鋁粉容易滑動，易產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，影響涂膜的質(zhì)感和閃光效果，因此，防沉劑和定向劑的選擇對金屬閃光底色漆的涂膜效果尤為重要。鋁粉平行于基材定向排列水平越高，涂膜的質(zhì)感、色強度和隨角異色效果就越好。在水性金屬閃光底色漆的配方設(shè)計中，基料樹脂和水性鋁粉是金屬閃光底色漆的基礎(chǔ)，定向排列劑則是關(guān)鍵因素。

適用于水性金屬閃光底色漆鋁粉定向排布的助劑主要有：水性醋酸-丁基纖維素（CMCAB）、改性乙烯-醋酸乙烯共聚物蠟乳液、聚乙烯蠟和聚酰胺蠟。CMCAB玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、相對分子質(zhì)量較高且分子結(jié)構(gòu)對稱，通過羧甲基接枝處理后，能夠部分溶解在水中，其在水性金屬閃光底色漆中能夠調(diào)節(jié)揮發(fā)速率、加速鋁粉的定向排列，同時可利用其高相對分子質(zhì)量和較高的體系黏度，防止鋁粉沉降及濕膜流掛。但是CMCAB不能完全溶解在水中，需要通過與水共溶的溶纖劑對其進行溶解，然后再用水稀釋成固含量為15%的溶液，這種低固含量的CMCAB溶液容易影響涂膜的光澤、遮蓋力和附著力。

蠟類定向劑對鋁粉顏料有很強的錨固作用，特殊的氫鍵結(jié)構(gòu)使體系締結(jié)為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)^[6],限制了濕膜在干燥期間由于貝納爾得渦流引起鋁粉的游動和翻滾，使鋁粉能夠更好地定向排列，同時提高了體系的觸變指數(shù)，使涂料具有剪貼變稀的特性^[7]。改性蠟乳液的相對密度較小，具有上浮作用，可在一定程度上減緩效應(yīng)顏料的沉降速度，同時還對效應(yīng)顏料有一定的分散性，防止顏料聚結(jié)，在成膜過程中它的上浮“托力”能夠幫助效應(yīng)顏料有序排列、定向整齊，提高涂膜的光澤和閃光效果。合理地使用蠟乳液定向劑，可改善鋁粉的定向排列減少云塊色差或花斑，還可以減少增稠劑的用量，其特殊的立體網(wǎng)狀觸變結(jié)構(gòu)可防止鋁粉的沉淀，改善涂膜的光澤。

改性蠟漿共分3種：（1）改性乙烯-醋酸乙烯蠟漿（A）,如BYK的Aquatix8421;(2)改性聚乙烯蠟漿（B）,如BYK的Aquacer507和840；（3）觸變防沉聚酰胺蠟漿（C），如帝斯巴隆的DisparlonAQ600he 580。在試驗配方中，固定其他因素不變，只改變改性蠟漿的品種，參照各自產(chǎn)品說明書的用量，考察其金屬閃光底色漆涂膜性能的影響，結(jié)果見表5。

表5  改性蠟漿種類對涂膜性能的影響

Table 5  Effect of modified wax slurry types on coating film properties

由表5可知，在基礎(chǔ)配方漆中添加不同品種的改性蠟漿對提高涂膜的外觀、光澤度、閃光效果的作用不同，蠟漿A效果.好，但是用量必須足夠大；蠟漿B因效果欠佳而被棄用；蠟漿C對涂膜的改進作用僅次于蠟漿A,但是其用量較少。本研究.終選擇了BYK的Aquatix8421，但該產(chǎn)品呈酸性，加入涂料體系中會使體系pH下降，因此在添加前，體系的pH應(yīng)調(diào)至9.0～9.5,使.終體系的pH達到7.5～8.5。

2.5分散劑的選擇

在水性金屬閃光底色漆的制備過程中，因鋁粉很難被水潤濕，分散困難，造成鋁粉團聚，故鋁粉不能直接加入涂料體系中。正確的做法是將水性鋁粉與助溶劑以1:1的質(zhì)量比混合，加入適量潤濕分散劑低速攪拌成均勻鋁銀漿，靜置24h后再加入涂料體系中。BYK-192潤濕分散劑，是一種含有親顏料基團的高分子共聚物，親顏料基團可使帶不同電荷的顏料通過空間位阻作用分散均勻，避免顏料聚團絮凝，利于片狀鋁粉平行排列，提高涂膜亮度、鮮映性和隨角異色性。

2.6其他助劑的選擇

水性金屬閃光底色漆的原材料選擇，是僅僅圍繞著效應(yīng)顏料有規(guī)平行定向排列進行的。從主體樹脂、交聯(lián)劑、定向劑及助劑的選擇無一例外，除考慮原材料一般的物化性能和功能外，還要考慮其對效應(yīng)顏料在涂膜中的定向排列作用。

2.6.1基材潤濕劑的選擇

水性金屬閃光底色漆以水為介質(zhì)，水的表面張力高（72.5Mn/m），對底材和效應(yīng)顏料的潤濕性較差，涂料的附著力和流平性欠佳。因此，必須選擇有強降表面張力作用的表面活性劑，以便能夠快速的在固/液界面定向吸附，降低固/液界面張力，增強涂膜的附著力，改善涂膜的流動鋪展和流平性。通過對基材潤濕劑的對比試驗，.終選擇了迪高公司的聚醚硅氧烷共聚物MET270,其活性物含量為....，具有高效能、優(yōu)異的防縮孔效果，且不影響重涂性和附著力。

2.6.2增稠劑的選擇

顏料的三維尺寸（徑厚比）與普通顏料有較大區(qū)別，且密度大、易沉降，必須添加適宜的增稠劑來提高涂料的黏度，防止鋁粉沉降聚結(jié)；在噴涂施工時，如果涂料黏度過低，濕膜中的鋁粉容易滑動、反轉(zhuǎn)，會影響涂膜的外觀效果。試結(jié)果表明，纖維素類及締合型聚氨酯類增稠劑不適合用于水性金屬閃光底色漆，而堿溶脹牛頓型和假塑形增稠劑配合使用效果較好。本研究選擇了可提供低剪貼黏度、抗流掛、抗沉降的疏水改性堿溶脹締合型增稠劑DR-72以及可提供高剪貼黏度、流平性、假塑性的同類增稠劑DR-73配合使用，使涂料具有較好的貯存穩(wěn)定性，且涂膜閃光效果更佳。

2.6.3流平劑的選擇

為了保證水性鋁粉在涂膜中有較好的定向排列，水性金屬閃光底色漆必須具有一定的觸變性，但同時也會帶來涂膜流平性不良的問題，進而影響到涂膜的鮮映性。水的表面張力較高，水性涂料制備過程中易產(chǎn)生氣泡。應(yīng)選擇既對基材潤濕性好，又能降低水的表面張力，既不產(chǎn)生氣泡又不穩(wěn)泡，且不影響層間附著力的潤濕流平劑。通過篩選，.終選擇了聚醚改性二甲基硅癢烷溶液（BYK-346），該產(chǎn)品具有強降表面張力，改善基材潤濕、流平性好、不穩(wěn)泡、不影響重涂性等特點，其用量為0.2%～0.5%時，效果良好。

2.6.4中和劑的選擇

在水性涂料中，常采用中和劑來調(diào)節(jié)體系的pH。中和劑包括堿金屬鹽、胺和氨水等。使用堿金屬鹽中和涂料體系時，金屬離子會殘留在涂膜中，影響涂膜性能；氨水揮發(fā)快，涂料貯存性能不佳，且對顏料的潤濕性差，因此他們都不宜用于水性金屬閃光底色漆中。適宜的中和劑有三乙胺（TEA）、二甲基乙醇胺（DMEA）及2-氨基甲基-1-丙醇（AMP-5）。

當(dāng)涂料需要在常溫條件下干燥時，可選用沸點較低的三乙胺作中和劑；需要在80℃左右強制干燥時，可選用沸點較低的二甲基乙醇胺作中和劑；需要在120℃或更高溫度下干燥時，則可選用AMP-95作中和劑。當(dāng)體系的pH＜7或＞9時，鋁粉表面發(fā)生反應(yīng)會變黑、脹氣，當(dāng)體系pH穩(wěn)定在8～8.5時，鋁粉及涂料體系的貯存穩(wěn)定性.好。

2.6.5消泡劑的選擇

水性金屬閃光底色漆在制備和施工過程中容易產(chǎn)生氣泡，氣泡的存在會使涂膜產(chǎn)生氣孔，影響涂膜的平整光亮度和閃光效果。選擇改性聚二甲基硅氧烷EFKA-2580作為消泡劑，其活性成份為....，在水性烤漆中具有優(yōu)異的消泡能力，在低剪貼狀態(tài)下加入不會引起縮孔等副作用；在高剪貼狀態(tài)下加入能保持穩(wěn)定，EFKA-2580在水性金屬閃光底色漆中的用量以0.1%～0.2%為宜。

3水性金屬閃光底色漆的性能

水性金屬閃光底色漆的性能見表6

表6  水性金屬閃光底色漆的性能

Table 6  Performance of water-based metallic glitter base paint

4水性金屬閃光底色漆的施工工藝

水性金屬閃光底色漆對施工環(huán)境要求較高，當(dāng)溫度太低或濕度較大時，均會影響其正常使用。因此，水性金屬閃光底色漆必須在恒溫恒濕的條件下進行施工。噴涂室的溫度控制在20～26℃，相對濕度控制在50%～80%。噴涂漆液黏度控制在25～35s，漆液黏度高于40s時，涂膜不豐滿。涂膜厚度控制在20um左右，涂膜太薄時鋁粉容易外露，導(dǎo)致涂膜外表面粗糙；涂膜太厚時，不利于鋁粉定向，導(dǎo)致涂膜發(fā)花^[8]。噴涂壓力以300kPa左右為宜，壓力過低，噴槍內(nèi)噴出的不是漆霧而是漆滴，其在被涂物表面形成顆粒堆積，導(dǎo)致涂膜凹凸不平；噴涂壓力過高，鋁粉會在涂膜內(nèi)聚集。涂層分2～3道噴涂，.后1道噴涂后，進行閃干（60～80℃，5min）,使涂膜中水分含量小于10%。隨即濕碰濕噴涂水性罩光清漆，一般噴涂涂2道清漆，每道間隔5min，然后于140～160℃烘烤20min。

5結(jié)語

水性金屬閃光底色漆以水性高相對分子質(zhì)量飽和聚酯樹脂為基體樹脂，以全甲醚化氨基樹脂為交聯(lián)劑，以水性閃光鋁銀粉為效應(yīng)顏料，以改性乙烯-醋酸乙烯共聚物蠟乳液為定向排列劑，在基材潤濕劑、消泡劑、流平劑、中和劑、增稠劑、助溶劑、去離子水等配合下制備而成，具有VOC（揮發(fā)性有機化合物）含量低、柔韌性好、抗沖擊、附著力強、閃光效果好、防腐性能優(yōu)異、綠色環(huán)保、施工安全方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、家電等涂裝領(lǐng)域。