汽車3C1B涂裝工藝配套水性原廠漆的研制

針對(duì)汽車3C1B 涂裝工藝開(kāi)發(fā)了配套的水性中涂、水性金屬底色漆。篩選了水性中涂助溶劑的種類以及水性金屬底色漆用鋁漿種類，研究了水性金屬底色漆定向排列劑對(duì)漆膜外觀及耐水性的影響，并深入探討了水性中涂的施工工藝，對(duì)比了3C1B和傳統(tǒng)3C2B涂裝工藝性能差異。結(jié)果表明：采用汽車3C1B 涂裝工藝，用自主研制的水性中涂、水性金屬底色漆配套，涂膜綜合性能優(yōu)異。

近年來(lái)隨著我國(guó)人民生活水平不斷提高，對(duì)汽車的需求也在不斷增加，現(xiàn)汽車年產(chǎn)量達(dá)到2800萬(wàn)輛/年，保有量720萬(wàn)輛，因此中國(guó)汽車涂料業(yè)將擁有巨大的市場(chǎng)空間。目前我國(guó)汽車涂裝技術(shù)有突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但是相比國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和整體綜合實(shí)力仍存在一定差距，表現(xiàn)較為突出的就是汽車涂裝的節(jié)能環(huán)保技術(shù)上。因此，大力發(fā)展我國(guó)汽車涂裝節(jié)能環(huán)保新技術(shù)、應(yīng)用新工藝、新材料是我國(guó)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(yùn)行成本。另外，水性3C1B涂裝工藝設(shè)備及廠房改造費(fèi)用較少，且涂層裝飾與防護(hù)性能能夠滿足客戶要求。因此本文開(kāi)發(fā)了汽車3C1B涂裝工藝配套的水性中涂、水性金屬底色漆，并詳細(xì)研究了配套工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料
水性丙烯酸乳液、聚氨酯分散體1、聚氨酯分散體2、水性丙烯酸分散體、水性聚碳酸酯分散體、水性氨基樹(shù)脂、效應(yīng)顏料、水性鈦白漿（自制）、片狀硅酸鹽、聚乙烯蠟、助劑、助溶劑、去離子水、N,N-二甲基乙醇胺（DMEA）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
BGD740/1型高速分散機(jī)，霧影光澤度儀，BGD305重型沖擊試驗(yàn)器，杯突儀，BGD505鉛筆硬度計(jì)，電熱恒溫水浴鍋，電熱鼓風(fēng)干燥箱，BYK橘皮儀，色差儀，QUVA老化測(cè)試儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 水性中涂的制備
水性中涂基本配方如表1，依次加入各原料，并以適合的轉(zhuǎn)速分散即可制得水性中涂。

表1 水性中涂基本配方



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(guān)鍵的一步為分散鋁顏料，分散的效果對(duì)涂層最終的外觀和穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)采用的方法為：將助溶劑、鋁顏料、分散劑、氨基樹(shù)脂四種原料依次加入到燒杯中，然后在500r/min轉(zhuǎn)速下分散10-20分鐘。
水性金屬底色漆基本配方如表2。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%DMEA水溶液調(diào)節(jié)pH值為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，使底色漆有合適的粘度，最后再用10%DMEA水溶液調(diào)節(jié)pH值為8.0-8.2之間。

表2 水性金屬底色漆基本配方



1.3.3 配套工藝
采用3C1B涂裝工藝，基本實(shí)施方法如下：08鋁鋼板磷化→陰極電泳→烘干(170 ℃，20 min)→噴涂水性中涂→預(yù)烘烤(溫度時(shí)間待定)→噴涂水性金屬底色漆→預(yù)烘烤→噴涂溶劑型罩光漆→常溫閃干8min→烘干（140℃，20-30 min)。

1.4 性能測(cè)試
按照配套工藝制作樣板后，進(jìn)行性能測(cè)試。鉛筆硬度按照GB/T6739-1996測(cè)試，附著力/級(jí)按照GB/T9286-1998測(cè)試，光澤（20°/60°）按照GB/T9754-88測(cè)試，杯突試驗(yàn)按照GB/T9753-88測(cè)試，耐沖擊按照PSA-D241312測(cè)試，耐水性按照GB/T5209-85在40℃水浴中浸泡240h。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性原廠漆的研究
2.1.1 水性中涂助溶劑的選擇

助溶劑一方面向涂膜外揮發(fā),另一方面隨著水分的減少相應(yīng)地濃度升高而向聚合物粒子內(nèi)部滲透遷移。對(duì)于水性涂料助溶劑來(lái)說(shuō)，因濃度升高而向聚合物內(nèi)部滲透的作用是其降低最低成膜溫度,發(fā)揮助成膜作用的關(guān)鍵所在。在第二個(gè)階段,成膜助劑由涂膜內(nèi)部向外揮發(fā)。溫度高濕度低，由于溶劑揮發(fā)速度過(guò)快，涂膜形成時(shí)間過(guò)短，聚合物粒子來(lái)不及很好地聚集融合，助溶劑就已經(jīng)隨著水揮發(fā)了，造成成膜不好和流平不佳等缺陷；而低溫高濕情況下，水分揮發(fā)慢，助溶劑揮發(fā)也慢，成膜時(shí)間長(zhǎng)。因此要保證配套漆膜擁有良好的外觀，必須嚴(yán)格控制施工溫濕度。本實(shí)驗(yàn)制備的水性中涂選擇了一些快干性助溶劑（如BG、PM、IPA）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 鋁漿篩選
由于鋁粉活性很高，如果表面包覆處理不完全，則會(huì)與水反應(yīng)釋放氣體。本試驗(yàn)選取了三種進(jìn)口鋁漿以及兩種國(guó)產(chǎn)鋁漿進(jìn)行脹氣實(shí)驗(yàn)，測(cè)試在40℃水浴中進(jìn)行，另外還測(cè)試了其鮮映性以及閃光指數(shù)，結(jié)果如表3。相比較而言，國(guó)產(chǎn)水性鋁漿儲(chǔ)存穩(wěn)定性與進(jìn)口產(chǎn)品差距較大，這可能是因?yàn)楸砻姘膊痪鶆?，?dǎo)致儲(chǔ)存過(guò)程中出現(xiàn)脹氣現(xiàn)象；但是進(jìn)口鋁漿價(jià)格偏高，因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要選用。本實(shí)驗(yàn)選擇進(jìn)口2#進(jìn)行其它試驗(yàn)。

表3 鋁漿篩選結(jié)果



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)速率慢，其成膜干燥時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致鋁粉顆粒在成膜過(guò)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(shí)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(jiàn)的定向排列劑有改性乙烯醋酸乙烯共聚物蠟乳液（EVA）、無(wú)機(jī)片狀硅酸鹽（Laponite RD）和醋酸丁酸纖維酯（CMCAB）等，本實(shí)驗(yàn)采用Laponite RD和EVA或CMCAB復(fù)配進(jìn)行深入探討，結(jié)果如表4。表4顯示Laponite RD和EVA或CMCAB以合適的比例復(fù)配均可使漆膜外觀達(dá)到較好的狀態(tài)，且貯存穩(wěn)定性良好。但是復(fù)合涂層耐水結(jié)果分析可知Laponite RD和EVA復(fù)配時(shí)， Laponite RD用量過(guò)多將導(dǎo)致水性金屬漆耐水性變差。當(dāng)使用Laponite RD和CMCAB復(fù)配時(shí)，當(dāng)控制Laponite RD用量時(shí)，過(guò)多添加CMCAB也將導(dǎo)致水性金屬漆耐水性變差。因此研制的水性金屬底色漆使用Laponite RD和EVA復(fù)配來(lái)促進(jìn)鋁粉定向排列。

表4定向排列劑復(fù)配對(duì)漆膜性能的影響



注:①Laponite RD使用時(shí)質(zhì)量濃度為2.5%；②CMCAB使用時(shí)質(zhì)量濃度為20%。

2.2配套工藝研究

2.2.1 水性中涂預(yù)烘烤工藝
試驗(yàn)表明，水性中涂脫水率（包含溶劑）應(yīng)達(dá)到90%以上，金屬漆才能保證不向中涂層滲透、清漆才不至于將金屬漆層溶起和產(chǎn)生水泡，影響配套漆膜外觀。圖1是水性中涂在不同干燥工藝下的失水率情況，從圖1A可以看出用自制樹(shù)脂制備的水性中涂在50℃預(yù)烘烤5min后失水率才能達(dá)到90%；60-70℃預(yù)烘烤4-5min失水率達(dá)到90%；80℃烘烤3-5min失水率可到90%，且預(yù)烘烤5min后失水率接近95%。從圖1B還可以看出常溫干燥失水率較預(yù)烘烤工藝低很多。由于中涂失水率越高，金屬漆向中涂滲透的程度降低，復(fù)合涂層外觀將更好，因此實(shí)驗(yàn)將水性中涂預(yù)烘烤工藝設(shè)定為80℃/5min。



圖1 水性中涂在不同干燥工藝下的失水率情況

2.2.2 水性中涂膜厚控制

3C1B涂裝工藝用水性中涂必須具備快速干燥的特性，但很易出現(xiàn)針孔。膜厚太低，漆膜機(jī)械性能和耐化學(xué)、鹽霧等性能變差，膜厚太高，因中涂中水分揮發(fā)不完全將導(dǎo)致整體漆膜出現(xiàn)氣泡等缺陷。在不影響配套漆膜機(jī)械性能和耐化學(xué)、老化等性能的情況下，較薄的膜厚更容易將中涂中的水分經(jīng)預(yù)烘干控制在脫水率要求的范圍內(nèi)，使整體漆膜的外觀達(dá)到最佳狀態(tài)。而在保證漆膜不出現(xiàn)針孔的情況下，中涂膜厚越厚配套漆膜綜合機(jī)械性能和耐化學(xué)、老化等性能越好。因此必須嚴(yán)格控制中涂膜厚，保證漆膜的綜合性能最佳。本項(xiàng)目首先固定金屬漆膜厚為15-20μm、清漆膜厚30-40μm，探討了水性中涂膜厚對(duì)漆膜性能的影響，見(jiàn)表5?？梢钥闯霎?dāng)中涂膜厚低于20μm時(shí)，中涂表面和配套漆膜外觀均良好；當(dāng)中涂膜厚超過(guò)20μm時(shí)，配套漆膜DOI值偏低，且表面出現(xiàn)大量由中涂頂起的氣泡。因此3C1B用水性中涂膜厚控制為10-20μm。

表5 水性中涂膜厚對(duì)漆膜性能的影響



2.2.3綜合性能
將制得的水性中涂與水性金屬底色漆及罩光清漆嚴(yán)格按照3C1B和3C2B涂裝工藝噴涂制板，并測(cè)試各項(xiàng)性能，結(jié)果如表6。其中3C1B涂裝工藝中，中涂只有預(yù)烘烤工序，而3C1B涂裝工藝中，中涂既有預(yù)烘烤工序，也有高溫烘烤工序（140℃/20min）?？梢钥闯雠涮灼崮ば阅艿牟町愋裕孩?C1B涂裝工藝配套漆膜鮮映性值與3C2B涂裝工藝相比偏低，這是由于3C1B工藝中的水性中涂中溶劑在預(yù)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。②3C1B涂裝工藝配套漆膜耐沖擊性能較3C2B涂裝工藝而言偏弱，這是由于3C1B涂裝工藝中的水性中涂膜厚低（10-20μm），且只有預(yù)烘烤，交聯(lián)密度低，而3C2B涂裝工藝中的水性中涂膜厚在30-40μm，且有高溫固化交聯(lián)反應(yīng)，因此其耐性和柔韌性因交聯(lián)密度的提高而提高。③相對(duì)于3C2B涂裝工藝而言，3C1B涂裝工藝配套漆膜耐石擊性較好，這是因?yàn)?C1B涂裝工藝中的水性中涂和水性底色漆預(yù)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，因此耐石擊性好。

表6 3C1B與3C2B涂裝工藝配套漆膜性能比較



3 結(jié)語(yǔ)
本實(shí)驗(yàn)針對(duì)汽車3C1B 涂裝工藝開(kāi)發(fā)了配套的水性中涂、水性金屬底色漆，復(fù)合涂層綜合性能優(yōu)異，涂層裝飾與防護(hù)性能能夠滿足差異性需求。隨著全社會(huì)對(duì)低碳環(huán)保理念的不斷推進(jìn)，節(jié)能減排、推行清潔生產(chǎn)必將成為汽車涂料涂裝發(fā)展的趨勢(shì)，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(chǎng)。