【中國涂料采購網】0·引言
VOC是繼汽車尾氣排放及煙霧之后的第三大空氣污染源，是PM2.5的主要來源。傳統汽車修補漆中，底色漆是汽車涂料工業VOC排放的主要來源之一，底色漆的水性化可以大大降低VOC的排放[1]。
水性汽車底色漆初期是以水性丙烯酸乳液為主要成膜物質，具有成本低、干燥快等優點，但由于水性丙烯酸乳液自身的原因，所制備的色漆側面帶藍光或白光，不宜調色，無法滿足修補漆快速調色的要求。同時水性丙烯酸乳液含大量親水基團，耐水性差。相比之下，水性聚氨酯底色漆干濕涂膜顏色差異小，不同噴涂技術對顏色效果影響小，遮蓋力強，涂裝效率高。本文研究如何制備不同顏色、熱貯存穩定性好、干濕涂膜顏色差異小、施工性能好的水性聚氨酯汽車修補底色漆。
1·試驗部分
1.1試驗原料
水性聚氨酯分散體：德國拜耳公司;水性潤濕劑、水性消泡劑：德國BYK公司;乙二醇丁醚、氨水、三乙胺(TEA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、各種顏料：市售;去離子水：自制。
1.2色漿研磨及色漆制備工藝
中等轉速下，分別加入去離子水、分散劑、潤濕劑、消泡劑，分散均勻，提高轉速，加入顏料，高速分散30~40min至均勻狀態，然后用砂磨機研磨至細度合格。色漿研磨合格后，加入水性色漆基料稀釋至合適粉含，并添加適量去離子水調節黏度，補加剩余部分潤濕劑、消泡劑，加入助溶劑及水性CAB溶液，最后添加適量pH調節劑，充分分散20~30min，制得水性聚氨酯汽車修補實色漆。圖1為色漆制備工藝流程圖。
1.3不同顏料水性色漿制備基礎配方
無機顏料吸油值較低，比表面積較小，分散較容易，可進行高粉含色漿研磨。有機顏料比表面積較大，吸油值高，不易分散，研磨色漿粉含較低[2-3]。表1為代表性顏料研磨色漿配方。
1.4修補用水性色漆施工工藝
在所制色漆中加入40%~50%自制稀料，調整施工黏度至20~30s(涂-4杯)，調節噴槍氣壓為0.18MPa左右，噴涂距離為10~20cm，噴涂2~3道，每道閃干約5min，然后“濕碰濕”罩溶劑型2KPU清漆。
2·結果與討論
2.1顏料類型與色漿研磨關系
由表1可以看出，研磨不同顏料時粉含差異較大，分散劑添加量相差也較大。研磨粉含及分散劑用量與顏料類型密切相關。表1中二氧化鈦、環保檸檬黃為無機顏料，彩度偏低，遮蓋力較差，但容易分散，故研磨色漿粉含較高，其中二氧化鈦為60%，環保檸檬黃為55%，分散劑添加量一般占顏料含量的0.01~0.11。透明氧化鐵黃是無機顏料，同時又是納米顏料，比表面積遠高于二氧化鈦，故研磨色漿粉含較低(30%)，分散劑/顏料質量比為0.3~0.8。有機黃、酞菁顏料、鮮栗紅、炭黑等有機顏料比表面積大，不易分散，故研磨色漿粉含較低(25%左右)，分散劑添加量遠高于二氧化鈦等無機顏料用分散劑量，分散劑/顏料質量比一般為0.3~0.8，其中炭黑分散劑/顏料質量比高至1.0~2.0。
2.2分散劑對色漿性能影響
不同顏料本身顆粒表面結構差異較大，因此各種助劑所發生的效力也就有差異。制備穩定色漿的關鍵在于針對各類顏料的表面性質差異而選用合適分散劑類型及用量，然后經恰當的分散研磨工藝制得質量上乘的色漿。
2.2.1分散劑類型選擇
試驗中選用的是高相對分子質量分散劑，該類型分散劑分子結構主要由2部分組成，一部分為錨式基團，主要包括—NR2、—N+R3、—COOH、—COO-和—SO3H等極性基團，通過離子鍵、氫鍵及范德華力等作用與顏料粒子緊密結合。另一部分為溶劑化長鏈，具有足夠的碳鏈長度，可以形成空間位阻效應。通過這兩部分的協同作用，使顏料維持穩定分散狀態[4-5]。表2為試驗所得不同顏料最佳分散劑類型及其主要參數。
如表2所列，研磨無機顏料二氧化鈦篩選出的分散劑A為含顏料親和基團的高相對分子質量嵌段共聚物溶液，該分散劑在水中電離產生異相電荷基團，與二氧化鈦表面形成離子鍵吸附于顏料表面，借助電荷斥力以及空間位阻雙重效應保持白色漿的穩定性。研磨酞菁藍等有機顏料篩選出的分散劑B為含顏料親和基團的共聚物溶液，吸附能力強，通過氫鍵、范德華力等作用牢固吸附于酞菁藍表面，同時該分散劑相對分子質量大，其所含的親水基在色漿體系中延伸形成較強的空間位阻作用，保持酞菁藍色漿分散體系穩定。
由于納米特性，透明氧化鐵黃色漿與水形成水合氧化鐵，導致色漿在貯存過程中透明性嚴重下降，黏度升高直至凝膠[6-8]。試驗篩選的分散劑C為含高顏料親和基團的改性聚醚，離子強度低，遠離等電點，可以有效抑制水合氧化鐵的形成。故制備的色漆透明性好，彩度高，長時間貯存過程中透明度無明顯下降，不發生凝膠絮凝，與其他色漆及金屬閃光漆調色后亦具有良好的貯存穩定性。
2.2.2分散劑用量對色漆穩定性影響
以研磨酞菁藍為例分析分散劑添加量對色漆顏色及貯存穩定性影響。如表3所列，添加量偏低時，色漆不能很好地展色，且在貯存過程中出現返粗;添加量過高時，顏色較好，但色漆貯存穩定性差，出現分層、絮凝等現象。這是因為酞菁藍表面包含較多活性吸附中心，分散劑通過活性吸附中心穩定吸附于顏料表面，形成較厚吸附層。添加量偏低時，顏料表面不能形成完整吸附層，未被分散劑覆蓋的顏料表面為減少表面能量發生聚集，從而導致色漆穩定性差，引起返粗、遮蓋力降低、黏度升高等問題。分散劑添加量過高時，過量分散劑游離于體系中，容易與已吸附于顏料表面的分散劑發生纏結，使分散劑從顏料表面脫落，導致顏料顆粒返粗，產生絮凝，降低貯存穩定性。只有當分散劑用量為最佳時，才能在顏料表面形成合適的穩定吸附層，產生足夠的位能阻止粒子重新團聚，從而使體系具有最佳的穩定性。不同顏料分散劑最佳用量如表4所列。
2.3制備工藝對色漿穩定性影響
水性色漿制備關鍵在于使顏料均勻懸浮于水相體系中，即利用機械攪拌將顏料從聚集體狀態解聚成初始顆粒狀態，均勻懸浮于體系中，并且保持穩定。色漿制備過程通常包括預分散和研磨2個步驟，預分散轉速以及研磨強度均對色漿穩定性有重要影響。
2.3.1預分散轉速影響
在預分散過程中，分散助劑和顏料時需要選擇不同的轉速。將各種助劑加入到去離子水中后，添加顏料之前，稱為預分散第1階段，該分散階段一方面使各種助劑均勻混合，另一方面對部分助劑起到乳化分散的作用，轉速太低，分散劑等助劑不能被均勻分散，影響顏料潤濕及分散，最終影響色漆貯存穩定性;轉速過高則會混入大量空氣，產生大量氣泡，并且增加能耗，因此該階段轉速采用中速(1000r/min左右)。顏料添加完畢后(預分散第2階段)，為使顏料能被較快地帶入體系并充分分散，適當提高分散轉速，但轉速過高容易造成體系湍流從而影響分散效果，試驗中研磨高粉含色漿時轉速保持2500r/min左右，研磨較低粉含時采用1800r/min左右轉速。
2.3.2研磨次數影響
為使顏料穩定地分散在體系中，預分散之后需要使用砂磨機進一步研磨色漿，使其細度達到一定標準。隨著研磨次數增加，顏料粒徑逐漸變小，貯存穩定性相應提高，當顏料粒徑降至一定程度后，新生顆粒強大的表面能會使顏料重新團聚，此時研磨設備產生的機械粉碎力一部分將用于阻止顆粒重新團聚，能耗增加但研磨效果基本不變。試驗中設定的色漿細度標準為10μm，該粒徑顏料可充分使實色顏料展色，透明性顏料表現高透明度，且在貯存過程中細度、顏色、透明性等保持不變。當色漿研磨至10μm后即停止研磨，進行下一步驟。
2.4水性聚氨酯實色漆制備
2.4.1顏基比對色漆性能的影響
涂料中主要成膜物質又被稱為基料，其作用是將涂料中的其他組分黏結成一整體，附著在被涂基層表面，干燥固化形成均勻連續堅韌的保護膜。基料對涂膜硬度、柔韌性、耐磨性、耐沖擊性、耐水性、耐候性及其他物理化學性能起到決定性作用。試驗中選用的聚氨酯分散體為脂肪族聚碳酸酯改性聚氨酯，利用其制備的色漆基料顏色淺、透明度高、不帶藍光，對快速調色無不良影響，可滿足修補漆市場快速調色的要求。不同顏料顏基比如表4所列。
2.4.2中和劑類型及體系pH選擇
水性涂料中常用的中和劑有氨水、三乙胺(TEA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、2-氨基甲基-1-丙醇(AMP-95)等，選擇中和劑主要考慮其揮發性及堿性強弱。氨水揮發速度過快，容易造成體系不穩定，另一方面氨水中和的樹脂對顏料潤濕性差，故不選用氨水。TEA常溫穩定，但在高溫貯存條件下易揮發，適用于常溫干燥涂料。本試驗考慮色漆在50℃條件下的貯存穩定性，故采用DMEA作為中和劑。
制備色漆時，添加中和劑調節體系pH，除了納米材料的透明氧化鐵外，大部分顏料色漆在pH為8.0~8.5范圍內色漆貯存穩定性最佳，而透明氧化鐵在堿性體系中加速生成水合氧化鐵，不利于色漆貯存，當降低體系pH至7.0左右時，制備的色漆彩度高、透明性好，貯存過程中基本保持不變，故調節透明氧化鐵黃色漆pH至7.0左右。
2.5施工工藝
施工方式采用手工空氣噴涂。本試驗設計的底色漆可以參照溶劑型汽車修補底色漆施工工藝，控制噴涂氣壓為0.18MPa左右，噴涂2~3道，每道約閃干5min。色漆中加入50%左右自制稀釋劑，調節施工黏度為30s(涂-4杯)左右，施工溫度控制在15~35℃之間，相對濕度30%~70%。水性聚氨酯底色漆性能指標如表5所列。
3·結語
通過對研磨不同顏料分散劑類型及用量、研磨工藝、顏基比及體系pH選擇，對汽車修補用水性聚氨酯底色漆進行了研究，結果如下：
1)二氧化鈦最佳分散劑/顏料質量比為0.02，環保檸檬黃為0.05，酞菁藍等有機顏料為0.3~0.5，炭黑為1.5。
2)選用高相對分子質量分散劑C，調節體系pH至7.0左右，可有效抑制透明氧化鐵黃與水形成水合氧化鐵，貯存過程中保持透明性、黏度及穩定性不變。
3)顏料添加前預分散階段采用1000r/min中速，添加顏料后采用1800~2000r/min高速，色漿研磨至10μm后即停止研磨，所制備色漿能耗低、穩定性好。
4)所制備色漆施工性好，漆膜干燥速度快，漆膜厚度、硬度及柔韌性好，干濕漆膜顏色差異小，滿足快速調色要求，具有良好的使用價值及產業化市場前景。