铝合金物流车用水性聚氨酯涂料的应用性研究
陈杰，郭鹏，来信，赵辉，刘正堂，刘宪文( 陕西宝塔山油漆股份有限公司，陕西兴平 713100)
摘要： 利用异氰酸酯和羟基丙烯酸酯分散体的交联反应设计试验，研究了水性聚氨酯涂料在铝合金物 流车上的应用；讨论了涂层在铝合金不同位置出现附着力差异性的问题；分别就水性树脂的选择、助剂的 选择、助溶剂的选择、 n (-NCO)/ n (-OH) 比例和干燥方式对涂膜性能和外观的影响进行了试验，获得了良好 的添加比例。 通过一系列的测试表明，所开发的产品符合客户对铝合金物流车用涂层性能的要求，涂膜也 具有良好的物理化学性能，在铝合金物流车上涂装后的装饰性也比较优越。
关键词： 水性聚氨酯；铝合金；助剂；性能；应用研究
中图分类号： TQ630.7 文献标识码： A 文章编号： 1672-2418(2017)05-0001-06
0 引言
铝合金车作为轻量化物流车的一个发展方向，近 些年具有较大程度的增长，但是由于铝合金表面氧化 膜的问题造成外观效果随着时间的延长而变差，然而 随着车厢材质由钢铁转变为铝合金等，为了更好地装 饰和防止氧化腐蚀，涂料的种类和品质也发生很大的 改变 [1] 。 通过水性聚氨酯涂料来进一步抑制其氧化膜 的形成，并达到美观的外观效果是近些年发展起来的 一条便捷而更环保的解决方案。 水性聚氨酯是用水作 为溶剂， 相较于传统的溶剂型聚氨酯具有无污染、安 全可靠、机械性能优良 [2] 等优点。 随着国家对环境保护 要求的进一步提高，尤其是控制有机挥发物（ VOC ）的 排放，继北京市后，广州市、天津市、河北省等相关省 市均出台了 《工业企业挥发性有机物排放控制标准》 等相应的控制 VOC 的管理办法， 所以水性化涂料产 品作为低 VOC 产品发展方向的一个分支， 具有更大 的市场潜力，本实验旨在为某汽车公司开发的铝合金物流车上研发一支具有良好附着力和耐候性的环保 型水性聚氨酯产品。
1 试验部分
1.1 原材料
本实验中应用的主要原材料，相关的指标、技术 参数等见表 1 。
1.2 涂料制备
涂料的制备方法为 [3] ：将部分水加入烧杯中，在搅 拌下将分散剂、消泡剂、胺中和剂、助溶剂等依次加 入，低速分散 5～10 min ，然后在搅拌下将颜填料加入， 先低速搅拌均匀，再提高搅拌速度分散 30 min ，使浆 料达到要求的细度（ ≤20 μm ），最后在低速搅拌下将 分散体、流变剂和流平剂依次加入，用剩余的去离子 水将搅拌杆进行冲洗后测试其浆料的 pH ， 合格后即 得相应的涂料产品。
1.3 涂装
本产品为双组份产品，添加固化剂时需要在搅拌 下加入， 将主剂在搅拌下加入固化剂， 搅拌 3～5 min 后， 在搅拌下将去离子水按量加入， 调整喷涂黏度 （涂 -4/23 ℃ ）到 50 s ，在相对湿度 ≤70% 且通风良好的 环境下喷涂测试板，涂装好后晾置 30 min ，用 80 ℃ 烘 箱烘烤 40 min ，即可成透明涂膜。
1.4 涂膜性能测试
涂膜性能测试的项目以及依据的标准见表 3 。
2 结果与讨论
2.1 水性树脂的选择由于本实验的基材为铝合金基材，客户要求附着力佳，耐候性良好，并且要求涂膜对光泽 ≥85% ，所以在选择水性树脂时选择二次分散体作为其主体的成膜物，因为二级分散体具有粒径小、光泽高、流平性的水性羟基丙烯酸分散体，分别做成清漆，涂覆在铝 合金上测试其附着力以及别的相关性能， 其结果见 表 4 。
在试验水性聚氨酯清漆的过程中发现， 3 种清漆 在铝合金表面均可以良好的涂装， 并且具有较高的 光泽，符合客户要求的光泽（ ≥85% ），但是在检测附 着力时发现， 在不同的位置测试出来的附着力有较 大的差异，其中大部分是合格的，但是总有一些位置 出现附着力非常差，甚至出现胶带将局部 1～2 cm 2 范围内的漆膜全撕掉，此现象在 3 种产品中均有发生。 通过用溶剂清洗铝合金表面， 以及擦拭等方法均无 法使全部表面的附着力做到一致， 总会出现一两个 检测点的附着力特别差的情况。 经过分析了解到，铝 合金表面存在一种氧化膜， 一种是在大气中氧化形 成的膜层， δ 约为 4～5 nm ，这层膜结构疏松；另外一 种是采用化学氧化法或电化学氧化在铝合金表面形 成的氧化膜，膜厚可达数百微米，具有高硬度、高耐 磨、强吸附能力和耐腐蚀力 [5] 等性能。 本实验所采用 的铝合金板是采用阳极化成膜的， 阳极氧化膜的横 截面为六角形的蜂窝状结构， 中间有一个圆形的空 洞，其单元尺寸一般 ＜100 μm ，微孔孔径一般 ＜20 nm ， 微孔的密度达到 760 亿个 / cm 2 。 氧化膜单元的厚度 一般以微米为单位。 如果氧化膜的厚度为 10 μm ，那 么其高度约为孔径的 500 倍以上 [6] 。 所以其表面积仍 很大，容易造成不同程度的局部污染，即使用溶剂擦 拭，仍然会出现涂膜局部附着力不合格的问题 [7] 。 通 过分析其具体的原因， 最后选择用打磨的方法来解 决其局部污染或后处理不干净造成附着力差异性的 问题， 整体打磨后重新喷涂， 干燥后在不同位置测 试，其附着力均一致。 通过表 4 的检测结果可以看出 WAD2 和 WAD3 两支水性分散体在铝合金上的附着 力较好，均达到了 1 级。
2.2 助剂的选择
由于水的表面张力随着温度的升高而降低 [8] ，在 常温下（以 20 ℃ 计）的表面张力为 72.7 mN/m ，而常 规溶剂的表面张力一般在 20～30 mN/m ， 比水的表面 张力高得多 , 所以在金属基材上不易更好地铺展，同 时还容易形成厚边、流平不好以及起泡等问题。 所以 本研究主要对针对水性聚氨酯中应用的消泡剂和基 材润湿剂进行了筛选，办法为：取 10 g 分散体，按每 种消泡剂推荐量的最大值加入，然后在玻璃板上涂膜 查看其是否有发白、缩孔等问题，其中出现缩孔等问 题的消泡剂排除掉不再评价其消泡能力， 具体见表 5 。 涂料对基材的润湿性及铺展性是通过筛选基材润 湿剂来评估的，具体见表 6 。 从表 5 和表 6 可以看出， 单从混溶性来看 BYK-1711 、 Foamex 7447 、 Foamex K3 是比较适合 WAD2 分散体的，而 Foamex 825 和 Airex 902w 比较适合 WAD3 分散体。 但是再考虑消泡能力 来 分 析 ， 可 以 看 出 BYK-1711 更 适 合 WAD1 ， 而 Foamex 825 更加适合 WAD3 。
2.3 助溶剂的选择
助溶剂在水性聚氨酯中起的主要作用是更好地 搭接水相 / 油相， 同时还可以更好地调节体系的黏度、 流变性，并降低体系的最低成膜温度；在一定程度上 还可以提高涂膜的光泽和流平性、 降低分散体的 T g ， 使聚氨酯树脂有足够的时间来相互聚结，形成分子链 段相互渗透的涂膜，使漆膜具有更好的密闭性 [9] 。 本实 验对比了不同助溶剂对水性聚氨酯涂膜光泽、涂装厚 度以及外观的影响， 具体见表 7 。 从表 7 可以看出， DPnB 和 DB 添加相同量时均可使水性聚氨酯涂膜的 厚度达到 60 μm ，同时流平性较好，而 DPM 要稍差一 些。
2.4 n (-NCO)/ n (-OH) 比例对涂层性能的影响
由于异氰酸酯（ -NCO ）和水也可以发生反应放出 CO 2 ，尤其在固化剂刚加入水性聚氨酯主漆中时，初期 较快的反应会促使漆浆黏度提升比较明显，而且在涂 装后对涂层的光泽、 硬度等性能的影响也较为明显。 本实验测试了 n (-NCO)/ n (-OH) 不同比例时，漆膜的性 能见表 8 。 从表 8 可以看出当 n (-NCO)/ n (-OH) 的比例 控制在 1.5 或 1.7 时， 涂膜的相关物理机械性能均能 达到较佳的效果。
2.5 施工条件对涂层外观的影响
水在一个大气压（ 0.1 MPa ）下， 100 ℃ 时的气化潜 热为 40.63 KJ/mol ， 而溶剂型涂料所用的烷烃类溶剂 的蒸发潜热一般在 20～30 KJ/mol 的范围 [10] , 水的蒸发 潜热高得多，所以水分难以在低温时挥发出来，这也 造成水性漆对涂装环境、干燥环境的温湿度，以及通 风情况的要求比较高， 一般建议相对湿度 ＜70% ，温 度 ＞10 ℃ ，具有良好的通风情况，温度低时需要循环热 风，这样可以更好地促进水分挥发。 本实验研究了在 喷涂厚度为（ 60±5 ） μm 时，表干不同时间后在 80 ℃ 的烘烤条件下，对涂膜外观的影响，具体见表 9 。 由表 9 可以看出，（ 60±5 ） μm 厚度的干膜，需要的干燥时间 条件为：表干 20 min ， 80 ℃ 烘烤 40 min ，在铝合金板上 的附着力为 1 级。 由此也可看出，要获得良好的外观， 烘烤前需要一定的晾干， 促使部分水份提前挥发，获 得更好的流平。
2.6 涂层的性能结果
根据客户的需求，在铝合金板上试验不同的水性 羟基丙烯酸分散体， 其中 WAD2 和 WAD3 均可达到 客 户 的 需 求 ， 但 是 通 过 表 10 可 以 看 出 ， WAD2 和 WAD3 两支分散体的各项物理化学指标均相似，但是 WAD2 在耐酸性和耐人工老化性方面比 WAD3 具有 更优越的性能，但是两支产品均可达到客户在铝合金 车辆上的要求，按较高的要求选择 WAD2 作为最终的 定型产品。
3 结语
本研究试验了不同的水性分散体在阳极化处理 的铝合金基材上固化后的各项性能，通过对涂料所用 的分散体、助剂、助溶剂、 n (-NCO)/ n (-OH) 比例、施工条 件的试验得出以下结论：
（ 1 ）阳极化的铝合金基材上不容易处理干净，正 常涂膜存在附着力差异性，通过打磨处理可以更好的 解决此问题；
（ 2 ） DPnB 和 DB 在本体系中均使涂膜的干膜厚度达到 60 μm ，同时涂膜的流平性和光泽均较佳；
（ 3 ）当 n (-NCO)/ n (-OH) 的比例控制在 1.5 或 1.7时，涂膜的相关物理机械性能均达到较佳的效果；
（ 4 ）烘烤工艺来干燥水性聚氨酯需要足够的时间来进行初步的水份挥发和涂膜流平。
参考文献
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