汽车水性金属闪光漆的研究及发展

汽车水性金属闪光漆的研究及发展

沈业文 肖亚平

(南京师范大学化学与环境科学学院,江苏南京210097)

摘 要 为了控制VO C 的排放,减轻环境的污染,水性涂料日益成为人们关注的焦点。由于外观和环保等因素,汽车用水性金属闪光涂料也逐渐占据汽车涂料市场。分析了汽车水性金属闪光漆的闪光原理。详细阐述了汽车水性金属闪光漆的主要组分及其作用,并介绍了其涂装工艺。同时,对水性金属闪光漆的研究方向及发展前景进行了展望。关键词 水性金属闪光漆 水性涂料 金属闪光涂料 汽车涂料

收稿日期:2008-09-09

作者简介:沈业文(1984~),女,硕士生。肖亚平(1962~),男,博士,副教授,从事有机合成研究。

Research and Devel op m ent ofW aterborneM etallic

Basecoat for Aut o m obile

Shen Y e wen X iao Y api ng

(Co llege of che m istry and env ironm ent sc ience ,N anjing no r m al university ,Jiangsu N an jing 210097)Abst ract

I n or der to con tro l e m ission of VOC i n auto m o ti v e pa i n ti n g and reduce env ironm ental po ll u tion,

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ronm en tal restricti o ns ,w ater bor ne m etallic basecoat for auto m ob ile g raduall y occupy auto m otive coatings m arke.t flashing pri n c i p les o fw aterborne m etallic basecoat for auto m obile w as ana l y zed .And the m a i n co m positi o ns and their f u nctions w ere described i n detai.l Coating m ethods of w ater bor ne m etallic basecoat for au to m ob ile w as a lso i n tro -duced .A t las,t the research direction and developm ent prospect w ater bor ne m eta llic basecoatw ere d isc ussed .

K eyw ords w ater bo r ne m eta lli c basecoat w aterbo r ne coating m etallic coati n g ;au to mobile coati n g coati n g m ethods

随着人们对汽车外观提出越来越高的要求,汽车涂料工业也迅速发展,不断开发出新的品种。其中的金属闪光漆因为具有特殊的金属光泽而受到欢迎。现在,金属闪光漆作为汽车面漆使用量逐年上升,与本色漆大体各占1/2。然而,由于优异的装饰效果所采用的金属漆只能在很低的固体含量下施工,释放VOC(挥发性有机化合物)居各涂层之最。传统的溶剂型金属闪光涂料中含有80%左右的VOC ,会在涂装过程中排放到大气中,造成光化学烟雾等严重的环境污染。为此,欧美等汽车工业发达的国家相继出台了许多环保法规来约束在涂装过程中的VOC 的排放。因此,水性金属闪光漆在汽车制造和修复市场中获得了广泛的认可

[1、2]

。

1水性金属闪光漆闪光效应的基本

原理

[1,3,4]

水性金属闪光底漆之所以具有非凡的装饰效果,是因为该类涂料中加入了金属铝粉或珠光粉等效应颜料。这种效应颜料在涂膜中定向排列,光线照过来后通过各种有规律的反射、透射或干涉,最后人们就会看到有金属光泽的、随角异色的闪光效果。光线照射到涂层表面的反射情况可用图1、图2、图3来表示

:

图1 普通颜料:漫反射 单色效果

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第22卷第11期

2008年11月

化工时刊

Che m i c a l Industry Tm i es

Vo.l 22,No .11

Nov .11.2008

如图所示,光线穿过涂层,照射到普通的颜料上时,光线发生漫反射而产生单一色调的效果;照射到金属片状颜料上时,光线发生平行反射而产生金属光泽效果;当照射到珠光颜料上时,除普通金属片状颜料的平行反射外,还有透射、折射和干涉等作用,因而从不同角度看珠光颜料时呈现出不同的闪色效应(随角度异色效应)。

目前主要使用的随角异色效应颜料有片状金属颜料(以铝粉为主)和珠光颜料(云母钛和云母氧化物)。绝大多数具有光学效应的颜料为片状结构,这类片状结构的颜料在涂膜中的排列对于随角异色(或称为闪光)效果影响很大。由于片状铝粉或珠光颜料的无规排列,光线照射在这些颜料上,只有漫反射,没有任何光学效果。但生产和应用过程中,可以调整配方和工艺以使得这些片状颜料的有规取向(平行于表面或底材),入射光在其表面呈现定向反射,结果造成在某一观察角(即反射角)处光强度最大,而在其他观察角处光强度均很弱,造成强烈的光学效果。即在同入射光角度下,随观察者视角的变化,涂膜的明度发生强烈变化。如图4

。

图4 水性涂料的金属闪光作用2水性金属闪光漆

2.1 水性金属闪光漆的特性

(1)有效减少环境污染 水作为一种可再生、无毒的溶剂,在涂料行业的应用越来越广,世界范围内水溶性涂料的百分比也越来越高。传统的低固体分溶剂型金属闪光漆的VOC 市放量为236g /m 2

工件,

而水性金属闪光漆的VOC 仅为13g /m 2

工件,VOC 削减潜力巨大

[5、6]

。

但迄今为止,水性涂料一般仍含有2%~15%的

有机溶剂,施工时对环境仍有一定程度的污染。开发无挥发性有机溶剂的水性涂料成为涂料厂商未来的主要课题

[7]

。

(2)有利于铝粉的定向[1,8]

水性金属闪光涂料的基体树脂本身具有较高的假稠性,可以做到比溶剂

型更低的固体含量,有利于铝粉定向,取得更好的平行排列,比溶剂型涂料具有更好的金属效应。2.2 水性金属闪光漆的组成及用途

目前常用的水性金属闪光漆大体有以下一部分组成:挥发性的含有机溶剂的水性介质、分散于水性介质中的内部交联微粒子聚合物、水性交联剂和分散于水性介质中的金属颜料或似金属颜料或无机颜料或有机颜料。

(1)水性丙烯酸树脂

[9]

丙烯酸树脂是丙烯酸

酯、甲基丙烯酸酯单体为主要成分的聚合树脂,由于丙烯酸树脂具有突出的保光保色性,而且与醇酸树脂或聚酯比,有以下不同点:干燥性良好;涂料的黏度低;涂膜外观平滑性高;树脂的透明度(作为罩光漆)高;涂料的网状结构致密(官能团分布在侧链,而非如聚酯一样只分布在两头)。作为水性金属闪光漆的主要成分,丙烯酸树脂在140 下烘烤30m i n 左右(保持)就能固化干燥,黏度低,涂装后涂膜收缩,色泽鲜艳且透明感好。因体积收缩大,有利于金属闪光色涂装时平行排列铝粉的作用。而且平滑性良好,鲜映性(外观装饰性)良好,耐候性优良。

水性金属闪光漆的基料若为丙烯酸树脂,最好是可以交联成膜,自交联或外加交联剂通过热固化(2K 体系)可交联丙烯酸树脂,可以通过前述溶液聚合或乳液聚合。溶液聚合时,用醇溶剂作为分散介质,直接转入水相,也可以用芳香族溶剂或酮类溶剂等水不

溶性溶剂,通过真空脱去溶剂,再转入水相,转入水相时,引入胺中和主链中的羧基溶解或分散聚合物于水中,这些阴离子稳定体系的p H 值最好在7.5~8.0之间;乳液聚合时可直接分散,也可以胺调节p H 值

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沈业文等 汽车水性金属闪光漆的研究及发展 2008 Vol 22,No .11

化工时刊

至上述范围。

(2)水性氨基树脂[11] 水性氨基树脂作为交联剂添加到水性金属闪光漆中。水性氨基树脂与水性树脂中的羟基发生交联反应,使得漆膜固化。交联剂的用量决定着漆膜固化程度,也就是决定着漆膜的最终性能,用量太少,交联程度低,漆膜软,硬度差,各项耐性都差,用量过高,交联程度很高,漆膜硬度很好,耐性也好,但是漆膜脆,柔韧性差,附着力不好。必须选择一个最佳交联剂的用量,使漆膜具有最平衡的性能。

(3)水性铝粉[1,9,12] 金属闪光底漆之所以具有非凡的装饰效果,是因为该类涂料中加入了金属铝粉或珠光粉等效应颜料。这种效应颜料在涂膜中定向排列,光线照过来后通过各种有规律的反射、透射或干涉,最后人们就会看到有金属光泽的、随角异色的闪光效果。但是水性铝粉和闪光颜料并不是简单的添加到涂料中即可,它对操作和涂料组成和添加剂的要求很高。

(4)助剂[10、11] 助剂虽然不是涂料的主要成分,但对涂料的性能和外观会产生一定的影响。如果配制得当,可提高涂料的性能,改善漆膜的外观。常选用的助剂有:流平剂、消泡剂、分散剂等,一般总的添加量为1%~10%。

近年来开发的C M C AB纤维素酯,可以很方便地控制水性金属闪光涂料的流挂、流平、铝粉的沉降、取向、排列等问题,对基体树脂的要求也不再特殊,大大增强了涂料的可施工性,直接缩小了和溶剂型金属闪光涂料的差距,为水性金属闪光涂料的广泛应用奠定了基础。

C MCAB纤维素酯在涂料的铝粉排列定向和底色漆的抗回溶性,水性金属闪光涂料的这两大技术关键问题上也起了一定作用。 由于C MCAB具有较大的相对分子质量,较高的体系粘度,以及很好的颜料分散性,使得铝粉的沉降速度得到明显地控制。

C MCAB还能辅助金属片定向排列,金属片压缩趋于平行排列。添加了C M C AB的水性金属闪光涂料,可以明显地降低施工固体分,而不影响施工粘度。 水性金属闪光涂料的施工一般也可以采用湿碰湿,即两涂一烘工艺。但是由于水具有相对高的挥发潜热,涂膜固体分不易迅速提高;以及相对较小的树脂相对分子质量,使得底色漆很容易被面层清漆渗透,产生回溶,尤其是底面两涂层为不同颜色漆时更容易产生渗色、 咬底 ,影响最终的涂膜的F I值和其他性能。由于C M C AB是较高相对分子质量、高T g、刚性的棒条状聚合物,以及其特有的粘度增长特性,含有C M-C AB的涂料随时间推移及固含量增加,黏度呈指数增长,这和溶剂型涂料的特性相似,从而提高了涂膜对面层溶剂的抗渗透能力。

(5)分散体系 乙二醇丁醚,二甲基乙醇胺,去离子水作为涂料的分散体,使铝粉稳定的分散在漆液中,从而有好的闪光效应。

去离子水作为溶剂,还应调节在一定的p H值范围内。合成的水性树脂含有大量的羧基,用碱中和后产生水溶性,不同的中和程度就有不同的p H值,而pH值的改变对漆液的稳定性和粘度产生一定的影响。因此有必要确定一个恰当的p H值范围,以达到漆液的稳定性和粘度之间的平衡。通过实验发现pH 值在7.5~8.5之间,漆液有较好的稳定性,同时又具有较合适的体系粘度[11]。

3水性金属闪光漆的涂装工艺[7,9,13]

面漆涂装后要求漆膜外观丰满、无橘皮、流平性好、鲜艳性好,从而使汽车车身具有高装饰性。另外,面漆还应具有足够的硬度、抗石击性、耐化学品性、耐污性和防腐性等性能,使汽车外观在各种条件下保持不变。目前,中涂,面漆涂装工艺普遍采用CED干燥后涂中涂漆,在140~150 温度下烘干20m i n之后以湿碰湿工艺涂底色漆与罩光漆,再以140~150 烘干20m in的涂装工艺。

由于水和有机溶剂在性能上有较大差别;水性涂料在涂装时漆膜易出现弊病。如水的表面张力大,颜料分散性差;难以获得高装饰性和耐蚀性好的涂膜;水的腐蚀性大,需改造或新建喷涂线;水的比热大、难挥发,如果水分挥发很慢,施工过程中容易产生流挂等漆膜缺陷,要求涂装环境的温度和湿度严格控制在规定的范围内;一般不能与溶剂型涂料通用烘干室。水在100 会急剧沸腾,导致水性涂膜起泡,因此水性涂膜烘干要求先采用低温(80 左右)烘干,待水分蒸发后再升到工艺要求的烘干温度(140~ 150 )进行烘干。

水性金属闪光漆层与罩光涂层也是 湿碰湿 施工的,因此不管采用水性罩光漆还是溶剂型罩光漆,

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化工时刊 2008 Vol 22,No.11 论文综述 Revi e w s

都存在一个预烘干的问题,即使底色漆层中的绝大部分水分、助溶剂挥发,让底色漆层固定后再喷涂罩光涂层。试验表明,底色漆层的溶剂含量(主要为水)应降低到10%以下,喷涂的罩光漆才不致于将底色漆层再溶起和产生水泡,影响外观质量。水性金属闪光漆代替溶剂型金属闪光漆,与所有水性涂料一样,必须有恒温恒湿条件,一般施工温度为22~28 ,相对湿度为60%~80%。水性金属闪光漆施工后,必须有一段闪干过程,一般90 ,5m in左右。在涂装过程中,要求闪光底色漆的干燥速率比本色漆快,否则会使光学颜料在湿膜中发生无规则的自由运动,造成杂乱无章的取向。施工工艺是控制闪光底色漆质量的最后一道关口,尽管在配方、助剂、溶剂等方面为改善闪光颜料的取向做了很大努力,但若不能正确控制和掌握施工喷涂工艺,则会出现前功尽弃的结果。底色漆在喷涂施工时,一般应掌握 不干不湿的原则 。太干,则会使闪光颜料没有任何取向的可能性,表面粗糙,闪光效果差;太湿,湿膜在很长时间内不能表干,导致闪光颜料在溶剂挥发时对流和表面张力差异造成的液体流动干扰,使涂膜处在一个极易随意取向的自由状态,造成取向紊乱。

喷涂(自动静电喷涂)与传统的金属色喷涂相当,在涂罩光漆之前必须预烘干(红外、热风烘干、冷却)阶段。烘干用紫外线和红外线相结合烘干,烘干时间可以缩短1/2,能耗可以大大降低。

4水性金属闪光漆的发展前景

4.1 技术研究方向

对于水性金属闪光漆的研究,我们除了要求其各项性能与溶剂型闪光漆相当,还要提高它的防酸雨、抗擦伤等性能。在具体的产品开发中还要达到下列4个目标:[6]

(1)性能不低于相对应的溶剂型涂料

(2)涂料施工作业范围应尽可能宽,要求的湿度和温度应尽可能接近溶剂型涂料(温度20~30 ,相对湿度50%~85%)

(3)VOC含量应尽可能低,不大于15%

(4)价格与溶剂型涂料相当

4.2 市场前景

中国汽车工业预计将保持每年两位数的增长速度,到2010年,中国汽车总产量将达到800~1000万辆。从此我们能看到汽车涂料的广阔市场,由于技术和规模原因,国内汽车涂料的生产厂家主要还是致力于中低档产品的生产。但是世界范围内环保要求的提高,。汽车涂装水性化是大势所趋。目前上海通用轿车涂装线、上海大众新建的第2条15万辆轿车涂装线均是按水性涂料施工设计建造的,而其他轿车厂现存的涂装线都不具备水性涂料的施工条件。所以中高档的水性金属闪光漆的开发虽然充满挑战,但具有广阔的天地和巨大的市场。

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