鋁合金物流車用水性聚氨酯涂料的應用性研究

陳杰，郭鵬，來信，趙輝，劉正堂，劉憲文

( 陜西寶塔山油漆股份有限公司，陜西興平 713100)

摘要： 利用異氰酸酯和羥基丙烯酸酯分散體的交聯反應設計試驗，研究了水性聚氨酯涂料在鋁合金物 流車上的應用；討論了涂層在鋁合金不同位置出現附著力差異性的問題；分別就水性樹脂的選擇、助劑的 選擇、助溶劑的選擇、 n (-NCO)/ n (-OH) 比例和干燥方式對涂膜性能和外觀的影響進行了試驗，獲得了良好 的添加比例。 通過一系列的測試表明，所開發的產品符合客戶對鋁合金物流車用涂層性能的要求，涂膜也 具有良好的物理化學性能，在鋁合金物流車上涂裝后的裝飾性也比較優越。 

關鍵詞： 水性聚氨酯；鋁合金；助劑；性能；應用研究 

中圖分類號： TQ630.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-2418(2017)05-0001-06

0 引言 

鋁合金車作為輕量化物流車的一個發展方向，近 些年具有較大程度的增長，但是由于鋁合金表面氧化 膜的問題造成外觀效果隨著時間的延長而變差，然而 隨著車廂材質由鋼鐵轉變為鋁合金等，為了更好地裝 飾和防止氧化腐蝕，涂料的種類和品質也發生很大的 改變 [1] 。 通過水性聚氨酯涂料來進一步抑制其氧化膜 的形成，并達到美觀的外觀效果是近些年發展起來的 一條便捷而更環保的解決方案。 水性聚氨酯是用水作 為溶劑， 相較于傳統的溶劑型聚氨酯具有無污染、安 全可靠、機械性能優良 [2] 等優點。 隨著國家對環境保護 要求的進一步提高，尤其是控制有機揮發物（ VOC ）的 排放，繼北京市后，廣州市、天津市、河北省等相關省 市均出臺了 《工業企業揮發性有機物排放控制標準》 等相應的控制 VOC 的管理辦法， 所以水性化涂料產 品作為低 VOC 產品發展方向的一個分支， 具有更大 的市場潛力，本實驗旨在為某汽車公司開發的鋁合金物流車上研發一支具有良好附著力和耐候性的環保 型水性聚氨酯產品。

1 試驗部分

1.1 原材料

 本實驗中應用的主要原材料，相關的指標、技術 參數等見表 1 。

1.2 涂料制備 

涂料的制備方法為 [3] ：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 5～10 min ，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 30 min ，使漿 料達到要求的細度（ ≤20 μm ），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 水將攪拌桿進行沖洗后測試其漿料的 pH ， 合格后即 得相應的涂料產品。

1.3 涂裝 

本產品為雙組份產品，添加固化劑時需要在攪拌 下加入， 將主劑在攪拌下加入固化劑， 攪拌 3～5 min 后， 在攪拌下將去離子水按量加入， 調整噴涂黏度 （涂 -4/23 ℃ ）到 50 s ，在相對濕度 ≤70% 且通風良好的 環境下噴涂測試板，涂裝好后晾置 30 min ，用 80 ℃ 烘 箱烘烤 40 min ，即可成透明涂膜。

1.4 涂膜性能測試
涂膜性能測試的項目以及依據的標準見表 3 。

2 結果與討論

2.1 水性樹脂的選擇
由于本實驗的基材為鋁合金基材，客戶要求附著力佳，耐候性良好，并且要求涂膜對光澤 ≥85% ，所以在選擇水性樹脂時選擇二次分散體作為其主體的成膜物，因為二級分散體具有粒徑小、光澤高、流平性的水性羥基丙烯酸分散體，分別做成清漆，涂覆在鋁 合金上測試其附著力以及別的相關性能， 其結果見 表 4 。 

在試驗水性聚氨酯清漆的過程中發現， 3 種清漆 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% ），但是在檢測附 著力時發現， 在不同的位置測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 出現附著力非常差，甚至出現膠帶將局部 1～2 cm 2 范圍內的漆膜全撕掉，此現象在 3 種產品中均有發生。 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， 總會出現一兩個 檢測點的附著力特別差的情況。 經過分析了解到，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 4～5 nm ，這層膜結構疏松；另外一 種是采用化學氧化法或電化學氧化在鋁合金表面形 成的氧化膜，膜厚可達數百微米，具有高硬度、高耐 磨、強吸附能力和耐腐蝕力 [5] 等性能。 本實驗所采用 的鋁合金板是采用陽極化成膜的， 陽極氧化膜的橫 截面為六角形的蜂窩狀結構， 中間有一個圓形的空 洞，其單元尺寸一般 ＜100 μm ，微孔孔徑一般 ＜20 nm ， 微孔的密度達到 760 億個 / cm 2 。 氧化膜單元的厚度 一般以微米為單位。 如果氧化膜的厚度為 10 μm ，那 么其高度約為孔徑的 500 倍以上 [6] 。 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，仍然會出現涂膜局部附著力不合格的問題 [7] 。 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 試，其附著力均一致。 通過表 4 的檢測結果可以看出 WAD2 和 WAD3 兩支水性分散體在鋁合金上的附著 力較好，均達到了 1 級。

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 [8] ，在 常溫下（以 20 ℃ 計）的表面張力為 72.7 mN/m ，而常 規溶劑的表面張力一般在 20～30 mN/m ， 比水的表面 張力高得多 , 所以在金屬基材上不易更好地鋪展，同 時還容易形成厚邊、流平不好以及起泡等問題。 所以 本研究主要對針對水性聚氨酯中應用的消泡劑和基 材潤濕劑進行了篩選，辦法為：取 10 g 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 查看其是否有發白、縮孔等問題，其中出現縮孔等問 題的消泡劑排除掉不再評價其消泡能力， 具體見表 5 。 涂料對基材的潤濕性及鋪展性是通過篩選基材潤 濕劑來評估的，具體見表 6 。 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 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 。

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地 搭接水相 / 油相， 同時還可以更好地調節體系的黏度、 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 T g ， 使聚氨酯樹脂有足夠的時間來相互聚結，形成分子鏈 段相互滲透的涂膜，使漆膜具有更好的密閉性 [9] 。 本實 驗對比了不同助溶劑對水性聚氨酯涂膜光澤、涂裝厚 度以及外觀的影響， 具體見表 7 。 從表 7 可以看出， DPnB 和 DB 添加相同量時均可使水性聚氨酯涂膜的 厚度達到 60 μm ，同時流平性較好，而 DPM 要稍差一 些。

2.4 n (-NCO)/ n (-OH) 比例對涂層性能的影響

由于異氰酸酯（ -NCO ）和水也可以發生反應放出 CO 2 ，尤其在固化劑剛加入水性聚氨酯主漆中時，初期 較快的反應會促使漆漿黏度提升比較明顯，而且在涂 裝后對涂層的光澤、 硬度等性能的影響也較為明顯。 本實驗測試了 n (-NCO)/ n (-OH) 不同比例時，漆膜的性 能見表 8 。 從表 8 可以看出當 n (-NCO)/ n (-OH) 的比例 控制在 1.5 或 1.7 時， 涂膜的相關物理機械性能均能 達到較佳的效果。

2.5 施工條件對涂層外觀的影響 

水在一個大氣壓（ 0.1 MPa ）下， 100 ℃ 時的氣化潛 熱為 40.63 KJ/mol ， 而溶劑型涂料所用的烷烴類溶劑 的蒸發潛熱一般在 20～30 KJ/mol 的范圍 [10] , 水的蒸發 潛熱高得多，所以水分難以在低溫時揮發出來，這也 造成水性漆對涂裝環境、干燥環境的溫濕度，以及通 風情況的要求比較高， 一般建議相對濕度 ＜70% ，溫 度 ＞10 ℃ ，具有良好的通風情況，溫度低時需要循環熱 風，這樣可以更好地促進水分揮發。 本實驗研究了在 噴涂厚度為（ 60±5 ） μm 時，表干不同時間后在 80 ℃ 的烘烤條件下，對涂膜外觀的影響，具體見表 9 。 由表 9 可以看出，（ 60±5 ） μm 厚度的干膜，需要的干燥時間 條件為：表干 20 min ， 80 ℃ 烘烤 40 min ，在鋁合金板上 的附著力為 1 級。 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，獲 得更好的流平。

2.6 涂層的性能結果

根據客戶的需求，在鋁合金板上試驗不同的水性 羥基丙烯酸分散體， 其中 WAD2 和 WAD3 均可達到 客 戶 的 需 求 ， 但 是 通 過 表 10 可 以 看 出 ， WAD2 和 WAD3 兩支分散體的各項物理化學指標均相似，但是 WAD2 在耐酸性和耐人工老化性方面比 WAD3 具有 更優越的性能，但是兩支產品均可達到客戶在鋁合金 車輛上的要求，按較高的要求選擇 WAD2 作為最終的 定型產品。

3 結語 

本研究試驗了不同的水性分散體在陽極化處理 的鋁合金基材上固化后的各項性能，通過對涂料所用 的分散體、助劑、助溶劑、 n (-NCO)/ n (-OH) 比例、施工條 件的試驗得出以下結論： 

（ 1 ）陽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到 60 μm ，同時涂膜的流平性和光澤均較佳；
（ 3 ）當 n (-NCO)/ n (-OH) 的比例控制在 1.5 或 1.7時，涂膜的相關物理機械性能均達到較佳的效果；
（ 4 ）烘烤工藝來干燥水性聚氨酯需要足夠的時間來進行初步的水份揮發和涂膜流平。

參考文獻

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