水性汽車金屬漆的制備與應用研究

文 風，柯志剛，李 俊，李學超

（湖南航天三豐科工有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

近年來，隨著生活水平的不斷提高，人們對汽車的需求也在不斷增加。2018年，我國汽車年產(chǎn)量達到3 000萬輛；預計2020年，亞太地區(qū)將成為最大的汽車涂料市場。因此，中國汽車涂料業(yè)的市場空間也會相應增長。目前我國汽車涂裝技術得到突飛猛進的發(fā)展，但是相比國外先進技術和整體的綜合實力，仍存在一定差距，這一點在汽車涂裝的節(jié)能環(huán)保技術上表現(xiàn)較為突出。近年來，隨著我國環(huán)保政策的日益嚴格［1］，汽車涂料水性化已成為大勢所趨，大力發(fā)展涂裝節(jié)能環(huán)保新技術、應用新工藝、新材料是我國汽車涂裝行業(yè)今后的發(fā)展方向。汽車3C1B涂裝工藝較現(xiàn)有的3C2B工藝而言，取消了中涂烘干打磨環(huán)節(jié)，能極大地降低涂裝成本和運行成本［2］。

本研究采用3C1B涂裝工藝，用自主研制的水性中涂、水性金屬底色漆配套，得到了綜合性能優(yōu)異的涂膜。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水性丙烯酸乳液，珠海吉利化工企業(yè)有限公司；聚氨酯分散體1，南京道寧化工有限公司；聚氨酯分散體2，武漢鯤鵬化工新材料開發(fā)有限公司；水性丙烯酸分散體，武漢捷德新材料科技有限公司；水性聚碳酸酯分散體，長沙寶瑞化工有限公司；水性氨基樹脂，長沙力波化工有限公司；效應顏料，濟南泰星精細化工有限公司；水性鈦白漿，自制；片狀硅酸鹽，長沙力波化工有限公司；聚乙烯蠟，上海盈水貿(mào)易有限公司；助劑；助溶劑；去離子水；N，N-二甲基乙醇胺（DMEA），深圳嘉德高新材料有限公司。

1.2 試驗儀器

BGD740/1型高速分散機；霧影光澤度儀；BGD305重型沖擊試驗器；杯突儀；BGD505鉛筆硬度計；電熱恒溫水浴鍋；電熱鼓風干燥箱；BYK橘皮儀；色差儀；QUVA老化測試儀。

1.3 試驗步驟

1.3.1 水性中涂漆的制備

中涂位于以防銹為目的的電泳底漆及以裝飾為目的的面漆之間，擔當?shù)?面漆輔助功能的重要角色。傳統(tǒng)的汽車中涂俗稱二道底漆，含有有機溶劑，施工工藝一般采用3C2B，即汽車中涂層完全烘干固化后再噴涂色漆和罩光清漆，最后在140 ℃下烘烤20~30 min固化。傳統(tǒng)中涂漆在生產(chǎn)和施工過程中會產(chǎn)生大量的VOC（揮發(fā)性有機化合物），環(huán)境污染嚴重。水性中涂漆以水為溶劑，避免了有機溶劑的使用，順應綠色環(huán)保的國家政策要求和趨勢。

本研究中水性中涂漆的基本配方如表1所示。將表1中的原材料依次加入高速分散機中，并以適宜的轉速分散均勻，即可制得水性中涂漆。

表1 水性中涂漆的基本配方Table 1 The basic formula of waterborne intermediate coating paint

1.3.2 水性金屬底色漆的制備

水性金屬底色漆的制備中較為關鍵的一步為鋁粉的分散，鋁粉的分散效果對涂層最終的外觀和穩(wěn)定性起著至關重要的作用。本研究采用的方法為：將助溶劑、鋁粉顏料、分散劑、氨基樹脂依次加入到燒杯中，在500 r/min轉速下分散10~20 min。

水性金屬底色漆的基本配方如表2所示。將水性丙烯酸分散體2、水性聚碳酸酯分散體混合均勻，并用10%的DMEA水溶液調(diào)節(jié)pH至8.0~8.2之間。加入部分去離子水、助劑和分散好的鋁漿，然后添加適量的定向排列劑和剩余的去離子水，使底色漆有合適的黏度，最后再用10%的DMEA水溶液調(diào)節(jié)pH至8.0~8.2之間。

表2 水性金屬底色漆的基本配方Table 2 The basic formula of waterborne metal base paint

1.3.3 配套工藝

采用3C1B涂裝工藝。基本實施方法如下：鋼板磷化→陰極電泳→烘干（170 ℃，20 min）→噴涂水性中涂漆→預烘烤（80 ℃，5 min）→噴涂水性金屬底色漆→閃干（23 ℃，15 min）→噴涂溶劑型罩光漆→常溫閃干8 min→烘干（140 ℃，20~30 min）。

1.4 性能測試

按照配套工藝制作樣板并進行性能測試：鉛筆硬度按照GB/T 6739—1996進行測試；附著力按照GB 9286—1998進行測試 ；光澤（20°/60°）按照GB 9754—1988進行測試；杯突試驗按照GB 9753—1988進行測試；耐沖擊性按照PSA-D 241312進行測試；耐水性按照GB 5209—1985進行測試。

2 結果與討論

2.1 水性金屬漆的研究

2.1.1 水性中涂漆助溶劑的選擇

助溶劑一方面向涂膜外揮發(fā)，另一方面隨著水分的減少濃度相應地升高而向聚合物粒子內(nèi)部滲透遷移［3］。對于水性涂料用助溶劑來說，因濃度升高而向聚合物內(nèi)部滲透是其降低最低成膜溫度，發(fā)揮助成膜作用的關鍵所在。在第二個階段，成膜助劑由涂膜內(nèi)部向外揮發(fā)。溫度高濕度低時，由于溶劑的揮發(fā)速度過快，涂膜形成時間過短，聚合物粒子來不及很好地聚集融合，助溶劑就已經(jīng)隨著水分揮發(fā)了，造成成膜不好和流平不佳等缺陷；而在低溫高濕的情況下，水分揮發(fā)慢，助溶劑揮發(fā)也慢，成膜時間長。因此要保證配套漆膜擁有良好的外觀，必須嚴格控制施工的溫濕度［4］。本研究選擇了一些快干性助溶劑（如BG、丙二醇甲醚、異丙醇）按比例搭配使用，在溫度為22~27 ℃，濕度為55%~70%的情況下能夠保證漆膜具有良好的流平性。

2.1.2 鋁漿的篩選

由于鋁粉的活性很高，如果表面包覆處理不完全，則會與水反應釋放出氣體。本研究選取了3種進口鋁漿以及2種國產(chǎn)鋁漿進行脹氣試驗，測試在40 ℃水浴中進行，另外還測試了其鮮映性以及閃光指數(shù)，結果如表3所示。

表3 鋁漿篩選結果Table 3 Aluminum paste screening results

相比較而言，國產(chǎn)水性鋁漿的貯存穩(wěn)定性與進口產(chǎn)品差距較大，這可能是因為表面包覆不均勻，導致貯存過程中出現(xiàn)脹氣現(xiàn)象；但是進口鋁漿價格偏高。因此，在實際應用中應根據(jù)需要選用。本研究選擇進口2#鋁漿進行試驗。

2.1.3 水性金屬底色漆定向排列劑的選擇

在水性汽車漆中，由于水的揮發(fā)速率較慢，其成膜干燥時間長，導致鋁粉顆粒在成膜過程中具有高度的遷移性，鋁粉的定向排列變得尤為困難。這時需要借助合適的添加劑，幫助鋁粉顏料定向排列，才能得到良好的金屬表面效果。常見的定向排列劑有改性乙烯-醋酸乙烯共聚物蠟乳液（EVA）、無機片狀硅酸鹽（Laponite RD）和醋酸丁酸纖維酯（CMCAB）等。本研究采用Laponite RD和EVA或CMCAB復配進行深入探討，試驗結果見表4。

表4 定向排列劑的選擇對漆膜性能的影響Table 4 Effect of the choice of alignment agent on the properties of the film

表4顯示，Laponite RD和EVA或CMCAB以合適的比例復配均可使漆膜外觀達到較好的狀態(tài)，且貯存穩(wěn)定性良好。但通過復合涂層的耐水性結果分析可知，Laponite RD和EVA復配時，Laponite RD用量過多將導致水性金屬漆的耐水性變差。當使用Laponite RD和CMCAB復配時，控制Laponite RD的用量，過多地添加CMCAB也將導致水性金屬漆的耐水性變差。本研究采用Laponite RD和EVA復配來促進鋁粉的定向排列。

2.2 配套工藝的研究

2.2.1 水性中涂漆預烘烤工藝

水性中涂漆脫水率（包含溶劑）達到90%以上時，才能保證金屬漆不向中涂層滲透、清漆才不至于將金屬漆層溶起和產(chǎn)生水泡，影響配套涂層的外觀。圖1是水性中涂漆在不同干燥工藝下的失水率情況。從圖1a中可以看出，用自制樹脂制備的水性中涂在50℃預烘烤5 min后失水率才能達到90%；60~70 ℃預烘烤4~5 min失水率達到90%；80 ℃烘烤3~5 min失水率可達到90%，且預烘烤5 min后失水率接近95%。從圖1b中可以看出，常溫干燥失水率較預烘烤工藝低很多。由于中涂漆失水率越高，金屬漆向中涂滲透的程度越低，復合涂層外觀將更好。因此，試驗將水性中涂漆預烘烤工藝設定為80 ℃/5 min。

2.2.2 水性中涂漆膜厚的控制

3C1B涂裝工藝用水性中涂漆必須具備快速干燥的特性，但是很容易出現(xiàn)針孔。當膜厚過低時，漆膜的機械性能、耐化學品性和耐鹽霧性等性能均會變差；而膜厚太高時，由于中涂漆中的水分揮發(fā)不完全，將導致整體漆膜出現(xiàn)氣泡等缺陷。在不影響配套涂層機械性能、耐化學品性和耐老化性等性能的情況下，較薄的膜厚更容易將中涂漆中的水分經(jīng)預烘干工藝控制在脫水率要求的范圍內(nèi)，使整體漆膜的外觀達到最佳狀態(tài)。因此，必須嚴格控制中涂漆的膜厚，保證漆膜的綜合性能。本項目首先固定金屬漆膜厚為15~20 μm、清漆膜厚30~40 μm，探討了水性中涂漆的膜厚對配套涂層性能的影響，結果見表5。

圖1 水性中涂漆在不同干燥工藝下的失水率情況Figure 1 Water loss rate of waterborne intermediate coating paint in different drying processes

表5 水性中涂漆的膜厚對配套涂層性能的影響Table 5 Effect of film thickness of waterborne intermediate coating paint on film properties

由表5可知，當中涂漆膜厚低于20 μm時，中涂漆表面和配套涂層的外觀均良好；當中涂漆膜厚>20 μm時，配套涂層的DOI值偏低，且表面出現(xiàn)大量由中涂頂起的氣泡。因此，3C1B用水性中涂漆的膜厚控制在10~20 μm為宜。

2.2.3 綜合性能

將制得的水性中涂、水性金屬底色漆以及罩光清漆嚴格按照3C1B和3C2B涂裝工藝噴涂制板，并測試配套涂層的各項性能，結果如表6所示。

表6 3C1B與3C2B涂裝工藝配套涂層的性能比較Table 6 Comparison of paint film performance of3C1B and 3C2B coating process

通過表6中的數(shù)據(jù)可以看出：（1）3C1B涂裝工藝配套涂層鮮映性值與3C2B涂裝工藝相比偏低，這是由于3C1B工藝中水性中涂漆中的溶劑在預烘烤后未完全揮發(fā)，噴涂金屬底色漆和罩光清漆后產(chǎn)生回溶現(xiàn)象。（2）3C1B涂裝工藝配套涂層的耐沖擊性較3C2B涂裝工藝偏弱，這是由于3C1B涂裝工藝中的水性中涂漆膜厚在10~20 μm，且只有預烘烤環(huán)節(jié)，交聯(lián)密度偏低；而3C2B涂裝工藝中的水性中涂漆膜厚在30~40 μm，且發(fā)生高溫固化交聯(lián)反應，因此其耐性和柔韌性因交聯(lián)密度的提高而提高。（3）相對于3C2B涂裝工藝，3C1B涂裝工藝配套涂層的抗石擊性較好，這是由于3C1B涂裝工藝中的水性中涂漆和水性底色漆在預烘烤后殘留少量溶劑，金屬底色漆和清漆有少量向下滲透，層間附著力好，因此配套涂層的耐石擊性較好。

3 結語

本研究針對汽車3C1B 涂裝工藝，開發(fā)了與之相配套的水性中涂漆、水性金屬底色漆，配套涂層的綜合性能優(yōu)異，涂層裝飾與防護性能能夠滿足差異性需求。隨著全社會對低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念的不斷推進，推行節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)必將成為汽車涂料涂裝發(fā)展的趨勢。因此，綜合性能優(yōu)異的汽車3C1B涂裝工藝配套水性原廠漆將具有廣闊的市場。