提高汽車水性金屬涂料顏色與外觀質(zhì)量的因素研究

提高汽車水性金屬涂料顏色與外觀質(zhì)量的因素研究

渠毅 黃亮
(PPG 涂料（天津）有限公司，天津 300457)

摘要 ：通過對(duì)水性金屬汽車涂料配方設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用的鋁粉類型，鋁粉定向助劑使用，研究了影響水性金屬涂料最終顏色外觀的幾個(gè)主要影響因素。試驗(yàn)表明選擇耐剪切的水性包裹鋁粉并應(yīng)用適當(dāng)比例的鋁粉排布定向劑，可以使水性汽車金屬漆達(dá)到最佳的顏色和外觀效果。 此外，通過水性金屬汽車漆的噴涂施工過程中關(guān)鍵點(diǎn)的控制也可以提高車身顏色外觀。
關(guān)鍵詞： 水性金屬汽車漆；水性鋁粉； 耐剪切；外觀； 施工固含量

0 引言
2014年中國汽車產(chǎn)銷量突破2300萬輛，同比2013年增長7% ，連續(xù)第六年位居全球第一，成為全球最大的汽車零售及生產(chǎn)制造國家。這就意味著汽車涂料的需求量也是迅猛提高。 近兩年，全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的要求，以及汽車工業(yè)節(jié)能減排不斷地深入，汽車涂料正向水性化、高固體分、粉末涂料方向發(fā)展，其中水性涂料是最具前景的技術(shù)之一。汽車涂料供應(yīng)商都致力于開發(fā)具有優(yōu)良外觀和顏色的水性汽車涂料，以便取代傳統(tǒng)溶劑型涂料。其中汽車金屬漆占領(lǐng)汽車涂料半壁江山，而其中的銀色占到這個(gè)顏色份額的近20%比例。本文研究了水性金屬汽車涂料中鋁粉顏料及助劑對(duì)顏色外觀的影響以及水性涂料施工過程中，對(duì)外觀影響的幾個(gè)因素。

1 試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)原料
混合丙烯酸樹脂乳液（自制，固含量45%） ，丁醚化氨基樹脂（氰特化學(xué)），有機(jī)胺（10% DMEA），表面活性劑 （空氣化學(xué)），去離子水(自制)， 鋁粉（ 銀元型，粒徑25um）， 鋁粉定向助劑, 增稠劑，高沸點(diǎn)溶劑等原料，以上原料均采用進(jìn)口供應(yīng)商之產(chǎn)品。

1.2 配方
試驗(yàn)配方見表1
表1 試驗(yàn)配方



其中鋁粉的選用按照表2進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 鋁粉的選擇



1.2 水性金屬汽車漆的施工
上述試驗(yàn)樣品按照水性漆制備工藝配成2L 油漆, PH=8.5。 施工時(shí)，樣品油漆粘度使用去離子水調(diào)整粘度為45-50s ( DIN 4#), 使用自動(dòng)噴漆設(shè)備，靜電壓， 50K轉(zhuǎn)速涂布在預(yù)涂電泳底漆中涂漆的鋼板上，膜厚15um 。 噴漆室施工溫度20-25℃相對(duì)濕度60%-70%，閃干3分鐘，低溫烘烤80℃ 5-10分鐘。最后噴涂罩光請(qǐng)漆， 閃干10 分鐘，140℃ 烘烤30 分鐘。

1.3 試驗(yàn)儀器
發(fā)氣裝置 （ 自制）， 恒溫水浴箱 （LAUDA）， 色差儀 （美能達(dá) 5 角度）， 高速攪拌機(jī)（Lightmin）。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁粉顏料的選擇
2.1.1 發(fā)氣試驗(yàn)結(jié)果

水性金屬汽車漆的金屬外觀主要來自于油漆中的鋁粉顏料，因此一定粒徑大小鋁粉顏料在水性漆的穩(wěn)定性，直接影響水漆車身的外觀與顏色。因此決定油漆制造商在進(jìn)行金屬漆配方制作時(shí)要充分考慮鋁粉顏料在水性體系中的穩(wěn)定性，避免金屬漆顏色發(fā)生變化。

試驗(yàn)選用配方A，B，C，D 各500mL進(jìn)行發(fā)氣試驗(yàn)。 油漆倒入裝置后，密封好蓋子，并放入恒溫40℃的水浴箱中加速試驗(yàn)，6個(gè)星期后，檢查測量空氣室內(nèi)的水的體積。

檢查測量空氣室內(nèi)的水的體積，并進(jìn)行噴涂，與試驗(yàn)初期未做發(fā)氣試驗(yàn)的樣品制板進(jìn)行顏色比較。試驗(yàn)結(jié)果如表3

表3 試驗(yàn)結(jié)果



試驗(yàn)結(jié)果表明，水性鋁粉在試驗(yàn)過程中，產(chǎn)生的氣體較少，顏色的色差變化也小，其中二氧化硅硅包裹型的水性鋁粉結(jié)果最好， 而未經(jīng)處理的傳統(tǒng)型鋁粉，試驗(yàn)后產(chǎn)生的氣體最多，色差儀測量△E最大。

試驗(yàn)原理：鋁粉顏料本身可以與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。 鋁粉顏料在生產(chǎn)工藝過程中，鋁粉顆粒被球磨機(jī)分散成細(xì)小顏料片。這一過程，使得鋁粉的表面積增大，反應(yīng)性增加。 反應(yīng)式如下： 2Al+6H20—+2Al(OH)3+3H2。

在水性涂料體系中，水性鋁粉表面處理方式主要有表面阻蝕抑制劑法和包覆膜法，其基本原理都是降低鋁粉與水直接發(fā)生反應(yīng)的幾率。不同的處理方式會(huì)影響鋁粉與水發(fā)生反應(yīng)的程度。試驗(yàn)室顯示進(jìn)口二氧化硅包裹型鋁粉雖然在水性涂料體系中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，但是價(jià)格過高；而在水性金屬漆配方過程中采用傳統(tǒng)鋁粉進(jìn)行直接鈍化（如配方C），具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。 但這種處理方式因鈍化劑種類（比如常見磷酸鹽，釩酸鹽），鈍化劑使用的比例，鋁粉表面鈍化均一性等因素影響，會(huì)造成最終水性金屬漆穩(wěn)定性降低。 因此配方設(shè)計(jì)者要充分考慮諸多因素并經(jīng)過存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)， 才能配制出性價(jià)比高的水性金屬漆涂料以提高長期涂料顏色穩(wěn)定性。

2.1.2耐高剪切試驗(yàn)結(jié)果

汽車涂料在車廠調(diào)漆間都通過供漆泵經(jīng)過循環(huán)管路到達(dá)噴涂房，鋁粉金屬涂料噴涂一段時(shí)間后會(huì)發(fā)現(xiàn)顏色變暗，這是由于循環(huán)管路中的齒輪泵或離心泵對(duì)金屬漆中的鋁粉造成較大機(jī)械剪切，發(fā)生鋁粉顆粒變形。

此試驗(yàn)中試驗(yàn)室使用的一種高速分機(jī)裝置模擬噴涂車間的循環(huán)管路。試驗(yàn)選用配方E，F(xiàn), G各500mL進(jìn)行試驗(yàn)， 測試不同鋁粉經(jīng)過高剪切后，顏色亮度值變化差異。攪拌器的轉(zhuǎn)速為30000rpm, 分散時(shí)間為10分鐘。 分散后進(jìn)行噴涂樣品，與未經(jīng)過高剪切測試樣品進(jìn)行△L比較，結(jié)果如表4。

表4 耐高剪切試驗(yàn)后顏色亮度值△L變化




結(jié)果表明：配方E和配方F 在15°和25°亮度值L變化幅度小于配方G, 試驗(yàn)表明這兩個(gè)配方顏色變化較小，鋁粉E， F的耐剪切能力均強(qiáng)于G 。
這是因?yàn)樵诟呒羟蟹稚⒌那闆r下，涂料中的片狀鋁粉會(huì)發(fā)生一定程度的變形。如圖2 變形后的鋁粉對(duì)于光源的散射增加，反射程度降低，造成小角度上△L變暗，目視效果顏色變黑。因此試驗(yàn)室后，15°和25°測量的 △L變化越小，鋁粉的抗高剪切能力越高，在車廠的循環(huán)系統(tǒng)里，顏色變化越小。

因此在篩選水性鋁粉顏料過程中，必須充分考慮鋁粉在抗循環(huán)系統(tǒng)中抗剪切變形的能力，提高水性金屬涂料的顏色穩(wěn)定性。

2.2 鋁粉定向劑用量

水性金屬涂料配方設(shè)計(jì)者都有體會(huì)就是即便使用同一鋁粉，配置的水性涂料，金屬效果表現(xiàn)力要比溶劑型涂料差很多。原因就是溶劑型涂料霧化施工過程中，70-80% 的溶劑快速揮發(fā)掉，鋁粉在涂膜中容易被固定住，形成良好排布。而水性涂料體系因含有大量水，水的熱容高，不易在施工過程中揮發(fā)，涂料在底材上容易流動(dòng)，致使涂層中的鋁粉放生翻轉(zhuǎn)移動(dòng)而不能良好排布，形成過多散射，從而影響漆膜金屬閃光度 。 因此水性金屬涂料中必須使用鋁粉定向助劑幫助鋁粉形成良好排布。

試驗(yàn)選用蠟助劑幫助水性涂料中的鋁粉定向，在基礎(chǔ)配方不變的情況下，改變助劑使用量，考察其用量對(duì)涂膜顏色外觀的影響，與未填加助劑比較，結(jié)果見表5。

表5 蠟助劑用量對(duì)漆膜外觀的影響




結(jié)果可知，當(dāng)蠟助劑使用量在配方中使用量為7%時(shí)， 漆膜的金屬閃光性與鮮映性能達(dá)到最佳，過多過少用量，都會(huì)影響漆膜顏色與外觀。 從漆膜外觀流掛上看，7% 助劑也使漆膜達(dá)到最佳流平與抗流掛性平衡。

2.3 水性涂料濕膜固含量控制

水性色漆涂裝過程中，必須進(jìn)行一段低溫烘烤才能進(jìn)行下一道清漆施工。如前所述，水性漆中含有的大量水不能夠在噴涂過程中快速揮發(fā)， 這不僅影響金屬漆鋁粉顏料的排列定向，產(chǎn)生顏色不良，還會(huì)產(chǎn)生漆膜弊病：如針孔等缺陷。

試驗(yàn)通過低溫烘烤后濕膜固體份的百分比及樣板漆膜的顏色及外觀比較，確定低溫烘烤條件，已得到最佳的金屬漆顏色外觀。
試驗(yàn)選用配方C進(jìn)行施工噴涂。噴涂時(shí)，使用已知重量為Mo，大小為10x10cm的鋁箔紙貼覆于被涂樣板一側(cè)，進(jìn)行正常噴涂。噴涂后，樣板室溫閃干3 分鐘， 立即取下鋁箔，對(duì)疊折起，防止漆膜中水份或溶劑等繼續(xù)向外揮發(fā)，進(jìn)行稱量，重量為M1 。稱重后，打開對(duì)折的鋁箔進(jìn)行低溫烘烤， 烘烤后，取出鋁箔進(jìn)行稱量，得到重量M2。取下鋁箔后的樣板室溫閃干后直接進(jìn)入低溫烘烤。并按施工流程完成清漆涂覆，以便進(jìn)行顏色外觀檢測。

本試驗(yàn)過程中低溫烘烤條件分別設(shè)置為 5 分鐘50℃, 5 分鐘65℃， 5分鐘80℃， 5分鐘90℃
根據(jù)公式： 固體份%= ( M2-Mo)/( M1-Mo) 計(jì)算得到預(yù)烘烤后固體份。
試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同溫度低溫烘烤下 固體份結(jié)果



試驗(yàn)樣板分別進(jìn)行顏色，外觀比較見表7。



結(jié)果表明：噴涂清漆前，水性金屬色漆漆膜中的水是否充分發(fā)揮出來，即預(yù)烘烤固含量的大小， 與最終的漆膜的顏色及外觀有密切的聯(lián)系。本試驗(yàn)中，當(dāng)預(yù)烘烤固含量偏低時(shí)，當(dāng)漆膜含水量過高，漆膜中的鋁粉繼續(xù)可以翻轉(zhuǎn)，造成鋁粉顏料定向排列不佳，漆膜亮度偏低。同時(shí)，漆膜中未揮發(fā)出的水份在噴涂溶劑型清漆后被封閉到漆膜層中。 當(dāng)樣板放入140℃烘烤時(shí)，水迅速汽化，從已經(jīng)表干的清漆漆膜中通過。這個(gè)過程造成漆膜表面被頂開，清漆來不及再次流平，形成漆膜表面缺陷：針孔。

而當(dāng)預(yù)烘烤固含量達(dá)到85% 以上時(shí)，漆膜可以得到最佳的外觀顏色。

施工現(xiàn)場，應(yīng)跟據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度濕度，換風(fēng)速度，鏈速，烘道長度，金屬車身形狀等因素，調(diào)整低溫烘烤溫度條件。 經(jīng)驗(yàn)證明： 低溫烘箱升溫速度控制在10℃-15℃每分鐘，低溫烘烤后的預(yù)烘烤固含量到達(dá)85%-95%， 即可達(dá)到良好的漆膜顏色和外觀。此外施工現(xiàn)場另外一個(gè)重要因素就是保證施工環(huán)境溫度22-25℃， 濕度為60-70%，也可以保證連續(xù)良好的漆膜外觀。

3 結(jié)語
通過試驗(yàn)證明，在設(shè)計(jì)應(yīng)用水性鋁粉金屬汽車漆時(shí)，要充分考慮水性涂料產(chǎn)品的特點(diǎn)及汽車廠噴涂車間的施工條件。 使用抗剪切型的水性鋁粉，可以提高水性金屬漆的存儲(chǔ)穩(wěn)定性和顏色外觀?？刂破崮ゎA(yù)烘烤的固含量，也可提高車身漆面的外觀質(zhì)量。