簡(jiǎn)單分析鋁合金物流車用水性聚氨酯涂料的應(yīng)用性

引言

鋁合金車作為輕量化物流車的一個(gè)發(fā)展方向，近些年具有較大程度的增長(zhǎng)，但是由于鋁合金表面氧化膜的問題造成外觀效果隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變差，然而隨著車廂材質(zhì)由鋼鐵轉(zhuǎn)變?yōu)殇X合金等的變化，為了更好的裝飾和防止氧化腐蝕，涂料的種類和品質(zhì)也發(fā)生很大的改變。通過水性聚氨酯涂料來進(jìn)一步抑制其氧化膜的形成，并達(dá)到裝飾美觀的外觀效果是近些年發(fā)展起來的一條便捷而更環(huán)保的解決方案。水性聚氨酯是用水作為溶劑，相較于傳統(tǒng)的溶劑型聚氨酯具有無污染、安全可靠、機(jī)械性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的進(jìn)一步提高，尤其是控制有機(jī)揮發(fā)物（VOC）的排放，繼北京市后，廣州市、天津市、河北省等相關(guān)省市均出臺(tái)了《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》等相應(yīng)的控制VOC的管理辦法，所以水性化涂料產(chǎn)品作為低VOC產(chǎn)品的發(fā)展方向的一個(gè)分支，具有更大的市場(chǎng)潛力，本實(shí)驗(yàn)旨在為某汽車公司開發(fā)的鋁合金物流車上研發(fā)一支具有良好附著力和耐候性的環(huán)保型水性聚氨酯產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料
本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的主要原材料，相關(guān)的指標(biāo)、技術(shù)參數(shù)等見表1所示：


表1 制備水性聚氨酯的主要原材

1.2 涂料制備

涂料的制備方式為：將部分水加入燒杯中，在攪拌下將分散劑、消泡劑、胺中和劑、助溶劑等依次加入，低速分散5～10min，然后在攪拌下將顏填料加入，先低速攪拌均勻，再提高攪拌速度分散30min，使?jié){料達(dá)到控制的細(xì)度（≤20um），最后在低速攪拌下將分散體、流變劑和流平劑依次加入，用剩余的去離子水將攪拌桿進(jìn)行沖洗后測(cè)試其漿料的pH值，合格后即得相應(yīng)的涂料產(chǎn)品。


表2 涂料基礎(chǔ)配方

1.3 涂裝

本產(chǎn)品為雙組份產(chǎn)品，添加固化劑時(shí)需要在攪拌下加入，將主劑在攪拌下加入固化劑，攪拌3～5min后，在攪拌下將去離子水按量加入，調(diào)整噴涂粘度到50s/-4/23℃，在濕度≤70%且通風(fēng)良好的環(huán)境下噴涂測(cè)試板，涂裝好后晾置30min，用80℃烘箱烘烤40min，即可成透明膜。

1.4 涂膜性能測(cè)試

涂膜性能測(cè)試的項(xiàng)目以及依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。


表3 測(cè)試項(xiàng)目及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 水性樹脂的選擇

由于本實(shí)驗(yàn)的基材為鋁合金基材，客戶要求附著力佳，耐候性良好，并且要求涂膜對(duì)光澤≥85%，所以在選擇水性樹脂時(shí)選擇二次分散體作為其主體的成膜物，因?yàn)槎?jí)分散體具有粒徑小、光澤高、流平性好、儲(chǔ)存穩(wěn)定等的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)選擇了國(guó)外三家公司的水性羥基丙烯酸分散體，分別做成清漆，涂覆在鋁合金上測(cè)試其附著力以及別的相關(guān)性能，其結(jié)果如表4。


表4 水性聚氨酯清漆在鋁合金板上的物理機(jī)械性能

在試驗(yàn)水性聚氨酯清漆的過程中發(fā)現(xiàn)，三支清漆在鋁合金表面均可以良好的涂裝，并且具有較高的光澤，符合客戶要求的光澤（≥85%），但是在檢測(cè)附著力時(shí)發(fā)現(xiàn)，在不同的位置測(cè)試出來的附著力有較大的差異，其中大部分是合格的，但是總有一些位置出現(xiàn)附著力非常差，甚至出現(xiàn)膠帶將局部1～2cm2范圍內(nèi)的漆膜全撕掉，此現(xiàn)象在三支產(chǎn)品中均表現(xiàn)出來，通過用溶劑清洗鋁合金表面，以及擦拭等方法均無法使全部表面的附著力做到一致，總會(huì)出現(xiàn)一兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的附著力特別差的情況，經(jīng)過分析了解到，鋁合金表面存在一種氧化膜，一種是在大氣中氧化形成的膜層，δ約為4～5nm，這層膜結(jié)構(gòu)疏松；另外一種是采用化學(xué)氧化法或電化學(xué)氧化在鋁合金表面形成的氧化膜，膜厚可達(dá)數(shù)百微米，具有高硬度，高耐磨，具有強(qiáng)吸附能力和耐腐蝕力。本實(shí)驗(yàn)所采用的鋁合金板是采用陽(yáng)極化成膜的，陽(yáng)極氧化膜的橫截面為六角形的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，中間有一個(gè)圓形的空洞，其單元尺寸一般小于100nm，微孔孔徑一般小于20nm，微孔的密度達(dá)到760 億個(gè)/ 平方厘米。氧化膜單元的厚度一般以微米為單元。如果氧化膜的厚度為10 um，那么其高度約為孔徑的500 倍以上。所以其表面積仍很大，容易造成不同程度的局部污染，即使用溶劑擦拭，仍然出現(xiàn)涂膜局部附著力不合格的問題。通過分析其具體的原因，最后選擇用打磨的方法來解決其局部污染或后處理不干凈造成附著力差異性的問題，整體打磨后重新噴涂，干燥后在不同位置測(cè)試，其附著力均一致。通過表4的檢測(cè)結(jié)果可以看出WAD2和WAD3兩支水性分散體在鋁合金上的附著力較好，均達(dá)到了1級(jí)。

2.2 助劑的選擇

由于水的表面張力隨著溫度的升高而降低，在常溫下（以20℃來計(jì)）的表面張力為72.7mN/m，而常規(guī)溶劑的表面張力一般在20～30 mN/m，水的表面張力高的多，所以在金屬基材上不易更好的鋪展，同時(shí)還容易形成厚邊、流平不好，以及起泡等問題，所以本研究主要對(duì)針對(duì)水性聚氨酯中應(yīng)用的消泡劑和基材潤(rùn)濕劑進(jìn)行了篩選，篩選辦法為，取10g分散體，按每種消泡劑推薦量的最大值加入，然后在玻璃板上涂膜查看其是否有發(fā)白、縮孔等問題，其中涂膜出現(xiàn)縮孔等問題的消泡劑排除掉不再評(píng)價(jià)其消泡能力，具體如表5所示。涂料對(duì)基材的潤(rùn)濕性及鋪展性是通過篩選基材潤(rùn)濕劑來評(píng)估的，具體如表6所示。從表5和表6可以看出，單從混溶性來看BYK-1711、Foamex 7447、Foamex K3是比較適合WAD2分散體的，而Foamex 825和Airex 902w是比較適合WAD3分散體，但是再考慮消泡能力來分析，可以看出BYK-1711更適合WAD1，而Foamex 825更加適合WAD3。


表5 消泡劑的篩選

注：表格中符號(hào)的含義，縮孔符號(hào)：—；無縮孔符號(hào)：○；混溶發(fā)白符號(hào)：△；透明：☆；消泡能力用“＋”表示，其中最強(qiáng)為“＋＋＋＋＋”；“＋＋”以下不合格。


表6 基材潤(rùn)濕性的篩選

注：基材的潤(rùn)濕性用“◎”表示，其中“◎◎◎◎◎”為基材潤(rùn)濕良好，流平性最佳；“◎◎”以下不合格，“◎”為流平性不良，縮邊嚴(yán)重。

2.3 助溶劑的選擇

助溶劑在水性聚氨酯中起的主要作用是更好的搭接水相/油相，同時(shí)還可以更好的調(diào)節(jié)體系的粘度、流變性，并降低體系的最低成膜溫度，在一定程度上還可以提高涂膜的光澤和流平性，降低分散體的Tg，使得聚氨酯樹脂有足夠時(shí)間來相互聚結(jié)，形成分子鏈段相互滲透的涂膜，使漆膜具有更好的密閉性。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同助溶劑對(duì)水性聚氨酯涂膜的光澤，涂裝厚度，以及外觀的影響，具體如表7所示，從表7可以看出，DPnB和DB添加相同量時(shí)均可使水性聚氨酯涂膜的膜厚達(dá)到60 um，同時(shí)流平性性較好，而DPM要稍差一些。


表7 助溶劑對(duì)涂膜的性能影響

2.4 n(-NCO)/n(-OH)比例對(duì)涂層性能的影響

由于異氰酸酯（-NCO）和水也可以發(fā)生反應(yīng)放出CO2，尤其在固化劑剛加入水性聚氨酯主漆中時(shí)，初期較快的反應(yīng)會(huì)促使漆漿粘度提升比較明顯，而且在涂裝后對(duì)涂層的光澤、硬度等性能的影響也較為明顯，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了n(-NCO)/n(-OH)不同比例時(shí)，漆膜的性能如表8所示，從表8可以看出當(dāng)n(-NCO)/n(-OH)的比例控制在1.5或1.7時(shí)，涂膜的相關(guān)物理機(jī)械性能均達(dá)到較佳的效果。


表8 不同n(-NCO)/n(-OH)對(duì)涂膜性能的影響

2.5 施工條件對(duì)涂層外觀的影響

水在一個(gè)大氣壓（0.1MPa）下，100℃時(shí)的氣化潛熱為40.63KJ/mol，而溶劑型涂料所用的烷烴類溶劑的蒸發(fā)潛熱一般在20～30KJ/mol的范圍[10],水的蒸發(fā)潛熱高的多，所以水分難以在低溫時(shí)揮發(fā)出來，這也造成水性漆對(duì)涂裝環(huán)境，干燥環(huán)境的溫濕度，以及通風(fēng)情況的要求比較高，一般建議濕度小于70%，溫度高于10℃，具有良好的通風(fēng)情況，溫度低時(shí)需要循環(huán)熱風(fēng)，這樣可以更好的促進(jìn)水分揮發(fā)，本實(shí)驗(yàn)研究在噴涂厚度為60±5 um時(shí)，表干不同時(shí)間后在80℃的烘烤條件下，對(duì)涂膜外觀的影響，具體如表9所示。由表9可以看出，60±5 um厚度的干膜，需要的干燥時(shí)間條件為：表干20min，80℃烘烤40min，在鋁合金板上的附著力為1級(jí)。由此也可看出，要獲得良好的外觀，烘烤前需要一定的晾干，促使部分水份提前揮發(fā)，同時(shí)更好的流平。


表9 不同表干和烘烤時(shí)間對(duì)涂膜外觀的影響

2.6 涂層的性能結(jié)果

根據(jù)客戶的需求，在鋁合金板上試驗(yàn)不同的水性羥基丙烯酸分散體，其中WAD2和WAD3均可達(dá)到客戶的需求，但是通過表10可以看出，WAD2和WAD3兩支分散體的各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)均相似，但是WAD2在耐酸性和耐人工老化性方面比WAD3具有更優(yōu)越的性能，但是兩支產(chǎn)品均可達(dá)到客戶在鋁合金車輛上的要求，按較高的要求選擇WAD2作為最終的定型產(chǎn)品。


表10 涂層的性能結(jié)果

總結(jié)

本研究試驗(yàn)了不同的水性分散體固化后在陽(yáng)極化處理的鋁合金基材上的各項(xiàng)性能，通過對(duì)涂料所用的分散體、助劑、助溶劑、n(-NCO)/n(-OH)比例、施工條件的試驗(yàn)得出以下結(jié)論：1.陽(yáng)極化的鋁合金基材上不容易處理干凈，正常涂膜存在附著力差異性，通過打磨處理可以更好的解決此問題；2.DPnB和DB在本體系中均使涂膜的干膜厚度達(dá)到60 um，同時(shí)涂膜的流平性和光澤均較佳；3.當(dāng)n(-NCO)/n(-OH)的比例控制在1.5或1.7時(shí)，涂膜的相關(guān)物理機(jī)械性能均達(dá)到較佳的效果；4.烘烤工藝來干燥水性聚氨酯需要足夠的時(shí)間來進(jìn)行初步的水份揮發(fā)和涂膜流平。