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荣强杯—涂层技术论文大赛丨水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制【于国玲 王学克 / 南阳农业职业学院 南阳卧龙漆业有限公司】

   日期:2020-06-01     浏览:252    评论:0    
提示:​水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制于国玲,王学克(南阳农业职业学院;南阳卧龙漆业有限公司)作者简介:于国玲,高级实验师,研究
 
荣强杯—涂层技术论文大赛丨水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制

 

荣强杯—涂层技术论文大赛丨水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制

 

荣强杯—涂层技术论文大赛丨水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制

 

​水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制

于国玲,王学克(南阳农业职业学院;南阳卧龙漆业有限公司)

荣强杯—涂层技术论文大赛丨水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制

 

作者简介:于国玲,高级实验师,研究方向是水性涂料,发表论文10余篇。

荣强杯—涂层技术论文大赛丨水性丙烯酸聚酯氨基烤漆的研制

 

文章全文

氨基烤漆因具有优良的附着力、保光性、硬度、丰满度及耐候性而被广泛应用于仪器仪表、汽车等领域。

然而,溶剂型氨基烤漆含有大量的丁醇和二甲苯,VOC(挥发性有机化合物)含量严重超标。

近年来,随着环保意识的加强及水性化技术的发展,水性氨基烤漆逐渐在轻工业制品中得到应用,其综合性能也在不断提高,氨基烤漆水性化已基本实现,但大部分主要原料还依赖进口。

本研究全部选用成本较低的国产原料来制备水性氨基烤漆,以期实现水性氨基烤漆的完全国产化。

1 实验

1. 1 原材料和仪器

新戊二醇(NPG),山东万华;间苯二甲酸(IPA),上海图赫;二羟甲基丙酸(DMPA),湖北巨盛;己二酸(AA),辽阳石化;乙二醇单丁醚(BCS) 、N,N−二甲基乙醇胺(DMEA),市售。以上原料均为工业级。

JCW2862水性丙烯酸树脂,成都杰晟蜀邦;5747聚合型高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂、5717聚合型部分甲醚化三聚氰胺树脂,江苏三木;303LF型、325型氨基树脂,美国氰特;AKN-2076分散剂,佛山千佑;B117消泡剂,广东中联邦;H616流平剂,北京齐飞;金红石型钛白粉,河南焦作佰利联;C625色素炭黑,天津天一世纪;酞青蓝,新乡博迪;杀菌剂,国产;2−氨基−2−甲基−1−丙醇(AMP-95),广州凯茵;无溶剂水性聚酯、去离子水,自制。

60°光泽仪,天津市科器高新技术公司;QCJ型冲击试验机,天津市材料试验机厂;GFJ-0.4型高速分散机、PPH-750型铅笔硬度计和涂层杯突试验仪,上海现代环境工程技术公司;QXD刮板细度计和QTY漆膜圆柱弯曲试验仪,天津路达公司;KSM-2型实验用开启式砂磨机,上海赛杰化工设备有限公司。

1. 2 制备方法

1. 2. 1 水性聚酯

将NPG 246.0 g、IPA 297.0 g、DMPA 192.0 g和AA 83.0 g加入反应釜,升温至180 °C,保持0.5 h后再升温至220 °C,酯化(约10 h)至酸值为(50 ± 5) mg/g(以KOH计,按GB/T 6743–1986《色漆和清漆用漆基酸值的测定法》测定),降温至70 °C左右后加入DMEA中和,调节pH至7.5 ~ 8.5,再加入去离子水调整固含量至50%,过滤即得水性聚酯。

1. 2. 2 无树脂色浆

在分散机中依次加入49.8 g去离子水、10 gAKN-2076分散剂、0.6 g炭黑、40g金红石型钛白粉和0.1 g酞青蓝,以2 000r/min的转速分散10 min,然后加入杀菌剂和消泡剂各0.1 g,以1 000 r/min再分散5 min,最后用砂磨机研磨至细度小于等于15 μm,出料备用。

1. 2. 3 水性氨基烤漆

在分散机中依次加入JCW2862水性丙烯酸树脂50 ~ 60 g、自制色浆8 ~ 15 g、水性聚酯树脂10 ~ 30 g、DMEA 0.1 ~ 0.3 g、BCS 2 ~ 6 g和去离子水5~ 8 g,以1000 r/min的转速分散20 min,再加入聚合型高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂6~ 15 g、流平剂0.2 ~ 0.6 g和消泡剂0.1 g,充分搅拌后用DMEA中和至pH为8左右,调整黏度至100 s(涂−6杯,25 °C,后同),检验合格后用200目滤布过滤、包装。

1. 3 性能测试方法

将制得的水性氨基烤漆兑水调至施工黏度(45 s),喷涂在冷轧钢板(经过打磨处理,但无需磷化和脱脂)上。

按照GB/T 1727–1992《涂膜一般制备法》制备涂膜,干膜厚度(20 ± 3) μm,烘烤条件如下:25 °C × 10 min + 145 °C × 30 min。

分别按照GB/T 9286–1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》、GB/T 1732–1993《漆膜耐冲击测定法》、GB/T 9754–1988《色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面光泽的测定》、GB/T 6739– 2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》、GB/T 6742–2007《色漆和清漆弯曲试验(圆柱轴)》、GB/T1733– 1993《漆膜耐水性测定法》、GB/T 1771–2007《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》、GB/T 23989–2009《涂料耐溶剂擦拭性测定法》(A法)和GB/T 9274–1988《色漆和清漆_耐液体介质的测定》(浸泡法)测试漆膜的附着力、耐冲击性、60°光泽、硬度、柔韧性、耐水性、耐中性盐雾、耐溶剂擦拭性和耐酸碱性。

2 结果与讨论

2. 1 工艺分析

在水性体系中,树脂对颜料的润湿能力比溶剂型涂料差,易出现颜色调配后存放一段时间变色的现象。其原因可能是体系内不同树脂对颜料的润湿能力不同。

色浆进入体系后,体系内的各种树脂开始了对颜料粒子的争夺。

颜料粒子与色浆中的树脂脱离,与体系内润湿性更好的树脂结合,这种情况下展色性增强,颜色变深;但是,颜料脱离后如果絮凝,那么颜色就会变浅。

解决变色问题可采用无树脂色浆。色浆中没有树脂就不存在颜料与树脂脱离的问题,色浆进入体系后,颜料与体系内的树脂自由选择最佳组合,体系就会比较稳定,不易变色。

分散剂含有对颜料表面有锚定作用的特殊链段或基团,无树脂研磨时因为没有水性树脂的竞争,分散剂更容易润湿到颜料表面,同时提高了分散效率。

因此本研究选用自制无树脂研磨色浆,它可用于所有水性漆的生产及调色。

值得一提的是,选用的原料全部为国产,成本较低。另外,甲醚化氨基树脂后加是为了避免研磨分散过程产生的热量可能引起其交联固化。

2. 2 水性丙烯酸树脂的选择

作为主要成膜基料,水性羟基丙烯酸分散体决定了涂膜的主要功能,固化后综合性能优异是最重要的选择依据。

另外,低玻璃化转变温度的树脂较高玻璃化转变温度的树脂不易爆泡。因此,优先选用低玻璃化转变温度的水性丙烯酸树脂。

笔者选了几个不同厂家的水性丙烯酸树脂样品,根据厂家提供的最佳配方配漆制板,性能测试结果见表1。

杰晟蜀邦的JCW2862和拜耳的A2646固化后所得漆膜的综合性能较好。

这可能是因为它们的羟值高,固化交联密度大。因杰晟蜀邦JCW2862是国产树脂,有明显的价格优势,且性能与进口树脂接近,故选之。

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2. 3 水性氨基树脂的选择

水性氨基烤漆常用的水性氨基树脂是聚合型高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂和聚合型部分甲醚化三聚氰胺树脂。

选用国产的聚合型高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂5747、部分甲醚化三聚氰胺树脂5717和氰特的2种甲醚化三聚氰胺树脂(303LF和325)。

上述2种聚合型部分甲醚化三聚氰胺树脂为150 °C左右,而2种聚合型高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂的固化温度为120 ~ 140 °C。

用杰晟蜀邦的JCW2862与它们分别配漆并制板测试,结果见表2。由于部分甲醚化三聚氰胺树脂中的交联基团比高甲醚化三聚氰胺树脂中的少,有效当量小,因此最佳配比在厂家提供的配比的基础上通过实验获得。

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从表2可以看出,采用氰特325和三木5747固化后涂膜的综合性能较好。

原因是高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂分子中存在甲氧基、亚胺基、羟甲基等多个交联基团,固化后可形成比较致密的涂膜。

三木5747是国产产品,综合价格因素,最终选择三木5747为固化剂。

2. 4 水性氨基树脂与丙烯酸树脂的配比对涂膜性能的影响

水性氨基树脂与丙烯酸树脂的配比对涂膜的性能影响很大。固定除水性氨基树脂和水性丙烯酸树脂以外其他组分的用量,研究它们的配比对涂膜性能的影响,结果见表3。

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当氨基树脂的比例较小时,漆膜的耐冲击性、柔韧性和附着力有所提高,但硬度和耐水性变差,原因是涂膜固化不完全,交联密度较低。

随着氨基树脂的比例增加,固化反应逐渐趋于完全,涂膜的耐水性和机械性能变优,当氨基树脂与丙烯酸树脂的质量比达到1∶4以后,继续增加氨基树脂的用量会导致过量的氨基树脂残留在涂膜中,从而影响涂膜的附着力和耐冲击性。

实验表明,水性氨基树脂与水性丙烯酸树脂的配比在1∶4左右时,漆膜综合性能较好。

2. 5 不同类型的中和剂及中和度对水性烤漆稳定性的影响

目前常用的中和剂主要是AMP-95和DMEA。DMEA和AMP-95做中和剂时水性烤漆的稳定性见表4。

无论用DMEA还是用AMP-95,水性烤漆的贮存稳定性先随着pH的升高而逐渐提高,在pH = 8时达到最好,之后随着pH的升高而大幅度下降。

分析认为:随着pH的升高,分子中的羧基被胺中和生成铵盐,提高了树脂的水溶性,有利于树脂在水中的分散;然而pH大于8时,随着中和程度的加大,树脂的亲水性增加,耐水性下降,在贮存过程中易发生水解。

实验表明,用DMEA做中和剂中和至pH = 8左右时,水性氨基烤漆的稳定性较好。

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2. 6 水性聚酯的用量

聚酯树脂的添加可以提高涂膜的光泽和丰满度,但聚酯树脂的用量对涂膜的耐老化性能影响较大。

固定水性氨基烤漆中其他组分的质量不变,改变聚酯树脂的用量,则水性聚酯树脂占总配方的质量分数对漆膜性能的影响见表5。

由表5可以看出,随着聚酯树脂用量的增加,涂膜的光泽先逐渐提高,而后逐渐降低。

分析其原因是:开始光泽有所提高是因为聚酯树脂中的羧基和羟基能与氨基树脂发生反应,从而在分子中引入聚酯基团;但随着聚酯树脂的加入,过量的聚酯树脂与水性烤漆形成的混合物因水溶性不同,彼此之间产生混溶性差异,而且在烘烤过程中出现干燥快慢的不同,导致涂膜的光泽降低。

在聚酯树脂的加入量较少时耐老化性还好,这是因为聚酯树脂和氨基树脂发生交联固化,形成了稳定而致密的涂层;但更多的聚酯树脂加入会令聚酯树脂游离在涂层中,聚酯中的酯键容易断裂,使得涂膜的耐老化性能下降。

实验表明,水性聚酯的用量为28 g时,涂膜的光泽最高,且耐老化性能不变。

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2. 7 水性氨基烤漆性能

优化后的水性氨基烤漆配方如下:

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所得漆膜的性能测试结果见表6。

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3 结语

用全国产的水性丙烯酸树脂JCW2862、聚合型高亚氨基高甲醚化三聚氰胺树脂5747与自制的无溶剂水性聚酯树脂拼用,选取合适的助剂,研制出一种高性能的水性丙烯酸聚酯氨基烤漆。

此配方成本较低,所制备的烤漆性能优异,附着力0级,60°光泽95,硬度3H,可耐中性盐雾试验480 h。


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