关于：汽车涂料用水性通用色浆的研制
2023-08-17
近年来，汽车工业的快速发展为汽车涂料创造了的发展契机。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。由于汽车涂料的技术含量高、附加值大，它往往代表着一个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。
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。
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。
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zui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zui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。
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zui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.
声明：本网站发布的内容(图片、视频和文字)以原创、转载和分享网络内容为主，如果涉及侵权请尽快告知，我们将会在第一时间删除。文章观点不代表本网站立场，如需处理请联系客服。电话：152-2195-6453。
本站全力支持关于《中华人民共和国广告法》实施的“极限化违禁词”的相关规定，且已竭力规避使用“违禁词”。故即日起凡本网站任意页面含有极限化“违禁词”介绍的文字或图片，一律非本网站主观意愿并即刻失效，不可用于客户任何行为的参考依据。凡访客访问本网站，均表示认同此条款！反馈电话：152-2195-6453。
