提高汽車水性金屬涂料顏色與外觀質量的因素研究

提高汽車水性金屬涂料顏色與外觀質量的因素研究

渠毅 黃亮
(PPG 涂料（天津）有限公司，天津 300457)

摘要 ：通過對水性金屬汽車涂料配方設計過程中應用的鋁粉類型，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主要影響因素。試驗表明選擇耐剪切的水性包裹鋁粉并應用適當比例的鋁粉排布定向劑，可以使水性汽車金屬漆達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鍵點的控制也可以提高車身顏色外觀。
關鍵詞： 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，全球對環(huán)境保護的要求，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之一。汽車涂料供應商都致力于開發(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汽車涂料半壁江山，而其中的銀色占到這個顏色份額的近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顏色外觀的影響以及水性涂料施工過程中，對外觀影響的幾個因素。

1 試驗部分
1.1 試驗原料
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），有機胺（10% DMEA），表面活性劑 （空氣化學），去離子水(自制)， 鋁粉（ 銀元型，粒徑25um）， 鋁粉定向助劑, 增稠劑，高沸點溶劑等原料，以上原料均采用進口供應商之產品。

1.2 配方
試驗配方見表1
表1 試驗配方



其中鋁粉的選用按照表2進行試驗。

表2 鋁粉的選擇



1.2 水性金屬汽車漆的施工
上述試驗樣品按照水性漆制備工藝配成2L 油漆, PH=8.5。 施工時，樣品油漆粘度使用去離子水調整粘度為45-50s ( DIN 4#), 使用自動噴漆設備，靜電壓， 50K轉速涂布在預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。最后噴涂罩光請漆， 閃干10 分鐘，140℃ 烘烤30 分鐘。

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

2 結果與討論

2.1 鋁粉顏料的選擇
2.1.1 發(fā)氣試驗結果

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行金屬漆配方制作時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。

試驗選用配方A，B，C，D 各500mL進行發(fā)氣試驗。 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，6個星期后，檢查測量空氣室內的水的體積。

檢查測量空氣室內的水的體積，并進行噴涂，與試驗初期未做發(fā)氣試驗的樣品制板進行顏色比較。試驗結果如表3

表3 試驗結果



試驗結果表明，水性鋁粉在試驗過程中，產生的氣體較少，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果最好， 而未經處理的傳統(tǒng)型鋁粉，試驗后產生的氣體最多，色差儀測量△E最大。

試驗原理：鋁粉顏料本身可以與水發(fā)生反應，產生氫氣。 鋁粉顏料在生產工藝過程中，鋁粉顆粒被球磨機分散成細小顏料片。這一過程，使得鋁粉的表面積增大，反應性增加。 反應式如下： 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)生反應的幾率。不同的處理方式會影響鋁粉與水發(fā)生反應的程度。試驗室顯示進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，但是價格過高；而在水性金屬漆配方過程中采用傳統(tǒng)鋁粉進行直接鈍化（如配方C），具有價格低廉的優(yōu)勢。 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，會造成最終水性金屬漆穩(wěn)定性降低。 因此配方設計者要充分考慮諸多因素并經過存儲穩(wěn)定性試驗， 才能配制出性價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耐高剪切試驗結果

汽車涂料在車廠調漆間都通過供漆泵經過循環(huán)管路到達噴涂房，鋁粉金屬涂料噴涂一段時間后會發(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金屬漆中的鋁粉造成較大機械剪切，發(fā)生鋁粉顆粒變形。

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

表4 耐高剪切試驗后顏色亮度值△L變化




結果表明：配方E和配方F 在15°和25°亮度值L變化幅度小于配方G, 試驗表明這兩個配方顏色變化較小，鋁粉E， F的耐剪切能力均強于G 。
這是因為在高剪切分散的情況下，涂料中的片狀鋁粉會發(fā)生一定程度的變形。如圖2 變形后的鋁粉對于光源的散射增加，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計者都有體會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，致使涂層中的鋁粉放生翻轉移動而不能良好排布，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。

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

表5 蠟助劑用量對漆膜外觀的影響




結果可知，當蠟助劑使用量在配方中使用量為7%時， 漆膜的金屬閃光性與鮮映性能達到最佳，過多過少用量，都會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，必須進行一段低溫烘烤才能進行下一道清漆施工。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，產生顏色不良，還會產生漆膜弊?。喝玑樋椎热毕?。

試驗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。
試驗選用配方C進行施工噴涂。噴涂時，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，進行正常噴涂。噴涂后，樣板室溫閃干3 分鐘， 立即取下鋁箔，對疊折起，防止漆膜中水份或溶劑等繼續(xù)向外揮發(fā)，進行稱量，重量為M1 。稱重后，打開對折的鋁箔進行低溫烘烤， 烘烤后，取出鋁箔進行稱量，得到重量M2。取下鋁箔后的樣板室溫閃干后直接進入低溫烘烤。并按施工流程完成清漆涂覆，以便進行顏色外觀檢測。

本試驗過程中低溫烘烤條件分別設置為 5 分鐘50℃, 5 分鐘65℃， 5分鐘80℃， 5分鐘90℃
根據公式： 固體份%= ( M2-Mo)/( M1-Mo) 計算得到預烘烤后固體份。
試驗結果見表6。

表6 不同溫度低溫烘烤下 固體份結果



試驗樣板分別進行顏色，外觀比較見表7。



結果表明：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。本試驗中，當預烘烤固含量偏低時，當漆膜含水量過高，漆膜中的鋁粉繼續(xù)可以翻轉，造成鋁粉顏料定向排列不佳，漆膜亮度偏低。同時，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。 當樣板放入140℃烘烤時，水迅速汽化，從已經表干的清漆漆膜中通過。這個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。

而當預烘烤固含量達到85% 以上時，漆膜可以得到最佳的外觀顏色。

施工現(xiàn)場，應跟據實際環(huán)境溫度濕度，換風速度，鏈速，烘道長度，金屬車身形狀等因素，調整低溫烘烤溫度條件。 經驗證明： 低溫烘箱升溫速度控制在10℃-15℃每分鐘，低溫烘烤后的預烘烤固含量到達85%-95%， 即可達到良好的漆膜顏色和外觀。此外施工現(xiàn)場另外一個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 結語
通過試驗證明，在設計應用水性鋁粉金屬汽車漆時，要充分考慮水性涂料產品的特點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穩(wěn)定性和顏色外觀。控制漆膜預烘烤的固含量，也可提高車身漆面的外觀質量。