上海涂料SHANGHAI COATINGS 第51卷第7 期
2013 年7 月Vol. 51 No. 7 Jul. 2013
[ 收稿日期] 2013-04-10
[ 作者简介] 刘成楼，男，高级工程师，主要从事各种功能性涂料的研发与服务，已发表科技论文近80篇。
单组分水性金属闪光铝粉底漆的研制
刘成楼（北京国泰瑞华精藻硅特种材料有限公司，北京100083）
摘要：以聚氨酯改性丙烯酸分散体为成膜物，以水性铝粉为效应颜料，以水性蜡乳液作铝粉的定向剂，以碱溶胀型丙烯酸酯聚合物为增稠稳定剂，在成膜助剂、水和功能助剂的配用下，制备成单组分水性金属闪光铝粉底漆，漆膜干燥快、硬度高、抗冲击性好、附着力强、闪光效果好、防腐性能优、绿色环保、施工安全方便。
关键词：金属闪光漆；水性铝粉；助剂
0 引言
金属闪光漆以其丰富的色彩、优异的随角异色效应、高雅气派的装饰效果、超强的防腐保护性能而受到人们的青睐，广泛应用于家用电器、汽车、发动机、机动车钢圈等工业部件。
近十年来，金属闪光漆市场发展很快，目前用于汽车涂装的金属闪光漆已占汽车涂料的60%左右［1］。
目前，溶剂型金属闪光漆仍占据市场的主导地位。
因其固含量较低（45%左右），VOC（挥发性有机化合物）含量高，尤其夏季施工时稀释剂用量达50%~70%，VOC的排放量相当高［2］，严重污染环境，损害
人身健康。
低碳环保是各国经济发展的基本准则，许多国家相继立法严格限定涂料中的VOC含量，为了达到环保要求，涂料水性化是有效途径之一［3］。
水性金属闪光漆因具有VOC含量低、干燥快、硬度高、抗冲击性好、附着力强、闪光效果好、防腐性能优异、绿色环保、施工安全方便等优点，具有广阔的发展前景。
1 实验部分
1.1 原材料
水性树脂：自交联丙烯酸共聚乳液MAINCOTE1100A，陶氏化学；多重交联丙烯酸乳液Etersol6923，长兴科技；丙烯酸树脂分散体Setaqua 6801、6802，纽佩斯；水性聚氨酯/丙烯酸酯共聚物分散体UC 80，欧宝迪。
水性铝粉：STAPA Hydrolan 501、214、2154，爱卡公司。
成膜助剂：丙二醇甲醚（DPM）、二丙二醇单丁醚（DPnB），陶氏化学。
定向剂：EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）蜡乳液，毕克化学。
碱溶胀缔合型增稠剂：DR-72、DR-73，陶氏化学；润湿分散剂：BYK-192 ；消泡剂：BYK-028 ；润湿流平剂：BYK-346 ；防腐杀菌剂：LXE，陶氏化学；中和剂：二甲基乙醇胺，市售品。
1.2 主要试验仪器和设备
分散机、涂-4杯、硬度测试仪、光泽测试仪、附着力测试仪、耐冲击测试仪、柔韧性测试仪、测色分光光度仪、光源灯箱等。
探索研究上海涂料2第51 卷
1.3 水性铝粉底漆的配方
通过对原料的选择及配比的优化实验，最终确定了单组分水性金属闪
光铝粉底漆的基本配方，见表1。
表1 单组分水性金属闪光铝粉底漆的配方
Table 1 The formulation of one component waterborne metallic aluminum primer
1.4 制备工艺
（1）铝粉浆的制备：将丙二醇甲醚与水性铝粉以质量比1∶1混合，并加入润湿分散剂，低速下搅拌20~30 min，然后静置陈化24 h，待
用。
（2）将水性树脂加入分散罐内，在转速200~300 r/min搅拌下加入消泡剂、防腐杀菌剂、润湿流平剂、二丙二醇单丁醚、EVA蜡乳液、去离子水，将转速调整为400 r/min，继续搅拌3~5 min，加入20%二甲基乙醇胺水溶液调整体系pH至8~8.5，加入铝粉浆，继续搅拌5 min，再加入增稠剂调整体系黏度达80~85 s（涂-4杯），过滤，出料。
1.5 试板制备
将马口铁试板用酒精擦拭干净，喷涂水性铝粉漆：黏度80 s（涂-4杯），喷枪空气压力300~400 kPa，喷距300~400 mm ；环境要求：室温25℃左右，相对湿度（60±5）%，风速0.4 m/s ；湿喷涂2~3道，前一道喷完后闪干2~3 min，再喷涂下一道，喷涂完成后室温下晾干15 min，再于（50±2）℃条件下闪蒸10 min，然后于60℃条件下烘干30 min，即可制得水性金属闪光铝粉漆试板，涂膜厚度20~25 μm。
如采用自然干燥，要求温度>10℃，相对湿度<75%，养护24 h 以上，其涂膜性能比烘干略差。
1.6 性能指标
单组分水性金属闪光铝粉底漆的性能指标见表2。
表2 单组分水性金属闪光铝粉底漆的性能指标
Table 2 The performance index of one component waterborne metallic aluminum primer
检测项目性能指标检测方法
容器中状态均匀，无沉淀目测
漆膜外观平整光滑目测
铅笔硬度H-2H GB/T 6739—1996
附着力/级≤1 GB/T 1720—1979（1989）
柔韧性/mm ≤1 GB/T 1731—1979（1993）
耐冲击性/cm 50 GB/T 1732—1979（1993）
耐水性（240 h）不起泡，不脱落，
颜色微变浅GB/T 1733—1993
60°光泽≥85 GB/T 7954—1988
耐盐雾性240 h，1级GB/T 1771—1991
耐湿热性150 h，1级GB/T 1740—1979
2 结果与讨论
2.1 水性树脂的选择
水性树脂可分为水溶性树脂、水分散体树脂和树脂乳液。
水溶性树脂外观透明，相对分子质量较小，亲水官能团较多，漆膜的耐水性及综合性能较差，不能满足金属闪光漆的性能要求；水分散体树脂外观半透明，相对分子质量低，光泽高，流平性好，漆膜综合性能好，但价格较高；树脂乳液外观白浊，快干，价廉，漆膜综合性能较好，但流平性较差，光泽度较低。
在配方中其他因素不变的条件下，采用不同水性树脂作成膜物制备铝粉闪光漆，实验结果见表3。
3
由表3可见：从综合性能比较，采用水性聚氨酯/丙烯酸酯共聚物分散体UC 80制备的铝粉底漆性能最好，其次是自交联丙烯酸乳液MAINCOTE 1101A，后者耐盐雾性和耐湿热性较差。
水性铝粉底漆对涂膜的性能要求较严格，首先铅笔硬度应≥H，这就要求水性树脂应具有较高的玻璃化温度，但这会带来柔韧性和耐冲击性较差的问题，如高玻璃化温度的多重交联丙烯酸乳液6923就是一例，可考虑用一种玻璃化温度低、柔性好的乳液与之配用。
而丙烯酸共聚物分散体6801、6802，由于其不挥发组分含量低（22%~26%）、硬度高、柔韧性差，不宜单独用作金属闪光漆的成膜物。
2.2 铝粉颜料的选择
金属铝为两性金属，铝粉颜料是以高纯度的金属铝为原料，通过湿法球磨制成的鳞片状颜料，随着表面处理技术的提升，开发出了彩色铝粉颜料、银元形、抛光型、耐酸碱等新型铝粉颜料［4］。
衡量金属闪光漆装饰效果的重要指标是漆膜的随角异色效应和光泽。
铝粉颜料颗粒越粗，形状越圆，反光的比例越高，就越亮白，色强度（FI）越强，随角异色效应越好；铝粉颜料颗粒越细，粒子结构越不规则，散射光的比例就越高，看上去越均匀、柔和，遮盖力越高，鲜映性（DOI）越好［1］。
水性金属闪光漆对铝粉的选择性非常严格，普通铝粉在水中会产生氢气，在贮存过程中会出现胀桶现象，因此必须对铝粉进行包覆处理。
目前最常用的包覆技术主要是采用SiO 2 进行无机包覆和采用树脂进行有机包覆。
水性金属闪光漆用的铝粉应先用树脂包覆，再用SiO 2 进行包覆，或者是用SiO 2 包覆完全的铝粉。
2.2.1 铝粉粒径的选择
本实验选择了德国爱卡公司的STAPA Hydrolan 214（粒径32 μm）、501（粒径21 μm）、2154（粒径18 μm）进行实验，用量为6%，制备的水性金属闪光漆的闪光指数比较见表4。
由表4可见：粒径较大的水性铝粉的闪光效果强于小粒径铝粉，这是因为粒径较大的铝粉形状较规则，反光比例较高，片状排列较平整所致；小粒径铝粉遮盖力较好，但因其形状结构不规则，散射光比例高，反光比例少，因此色强度较低，但漆膜细腻柔和、鲜映性好。
可根据需要选取不同粒径的水性铝粉，也可以将较大粒径铝粉与小粒径铝粉以适当比例配用，达到取长补短的目的。
2.2.2 铝粉用量的选择
按照涂膜性能与成本最佳平衡的原则，根据铝粉自身的特点，确定铝粉的最佳用量。
在配方中其他因素不变的条件下，仅改变水性铝粉的用量，检测其对涂膜性能的影响，结果见表5。
由表5可见：随着水性铝粉用量的增加，涂膜的遮盖力提高，涂膜由平整光滑过渡到粗糙，60°光泽逐渐下降，闪光效果由弱变强，但当其用量≥8%后，闪光效果变弱。
这是因为，当铝粉用量过多时，喷涂后的漆膜中铝粉重叠、挤压、堆积，影响片状铝粉的有序定向排列，使漆膜的外观质量变差。
当水性铝粉的用量为6%时，水性金属闪光漆的性能最优。
2.3 水性铝粉定向剂的选择
在水性金属闪光漆中，铝粉的定向平行排列水平是影响漆膜外观质感和闪光效果的重要因素。
铝粉平行于基材定向排列水平越高，漆膜的质感、闪光指数和随角异色效果就越好。
在水性金属闪光漆配方设计中，基料树脂和水性铝粉是基础，定向排列剂则是关键因素。
由于水的蒸发潜热大、挥发速度慢，而喷涂在基材上的湿膜在未表干前铝粉容易活动、翻转或重新排列，造成漆膜发花，影响外观质量，因此必须添加适宜的定向排列助剂。
适用于水性金属闪光漆铝粉定向排列的助剂主要有：水性醋酸-丁基纤维素（CMCAB）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）蜡乳液、聚乙烯蜡和聚酰胺蜡。
CMCAB玻璃化转变温度高、相对分子质量较高且分子结构对称，通过羧甲基接枝处理后，能够部分溶解在水中，其在水性金属闪光漆中能够调节挥发速率、加速铝粉的定向排列，同时利用其高相对分子质量和较高的体系黏度，防止铝粉沉降和湿膜流挂。
但是CMCAB不能完全溶解在水中，需要通过与水共溶的溶纤剂对其溶解，然后再用水稀释成固含量为15%的溶液，这种低固含量的CMCAB溶液容易影响漆膜的光泽、遮盖力和附着力。
蜡类定向剂对铝粉颜料有很强的锚固作用，特殊的氢键结构使体系缔结为三维网状结构［5］，限制了湿膜在干燥期间因贝纳尔德涡流引起铝粉的活动和翻转，使铝粉更好地定向；同时提高了体系的触变指数，能够使涂料具有剪切变稀的特性［6］。
合理地使用蜡类定向剂，还可以减少增稠剂的用量，其特殊的立体网状触变结构可防止铝粉沉降，改善漆膜光泽。
实验结果证明，乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）蜡
乳液的定向效果要优于聚酰胺蜡。
当EVA蜡乳液的用量为6%~10%时，铝粉的定向排列效果较好。
2.4 分散剂与成膜助剂的选择
在水性金属闪光底漆的制备过程中，铝粉不能直接加入到涂料体系中，因为铝粉很难被水润湿，分散困难，易团聚。
正确的方法是将水性铝粉与助溶剂以质量比1∶1混合，加入适量润湿分散剂低速搅拌成铝粉浆，然后再加入到水性涂料体系中。
常用的助溶剂主要有醚类、醇类溶剂，如丙二醇甲醚（DPM）、乙二醇丁醚（BCS）、二丙二醇单丁醚（DPnB）等。
几种不同助溶剂的基本性能见表6。
不同分散剂和助溶剂对水性铝粉分散效果的影响见表7。
由表7可见：添加BYK-192润湿分散剂，可使铝粉有较好的分散性、白度、鲜映性和随角异色性。
这是因为该润湿分散剂是一种含有亲颜料基团的高分子共聚物，亲颜料基团可使带不同电荷的颜料通过空间位阻效应分散均匀，避免团聚与絮凝，因此铝粉在涂料体系中分散良好而稳定。
为了降低水性树脂的最低成膜温度（MFFT），以便在常温下获得连续的涂膜，应加入适量的成膜助剂。
试验结果表明，在水性金属闪光漆中，DPM、DPnB适宜用作聚氨酯/丙烯酸共聚物分散体UC 80的成膜助剂。
由于DPM与水互溶，在配方中不可缺少，DPnB 微溶于水，易被乳胶粒子吸收而降低MFFT。
涂膜的硬度与所使用成膜助剂的沸点和挥发速率密切相关，而耐化学品性也严重依赖于成膜助剂的残留量。
例如十二醇酯因挥发速率低、残留量大而会降低涂膜的硬度和耐化学品性；DPM和DPnB因沸点中等，挥发速率适中，比较容易在涂膜干燥过程中逸出，残留较少，不会影响涂膜的硬度和耐醇性［7］。
2.5 增稠剂的选择
由于金属铝粉的厚径比与普通颜料有较大区别，且密度大、易沉降，必须添加适宜的增稠剂提高涂料的黏度，防止铝粉沉降聚结；在喷涂施工时，如果涂料黏度过低，湿膜中的铝粉容易滑动、翻转，影响涂膜的外观。
大量试验结果表明，纤维素醚类及缔合型聚氨酯类增稠剂不适用于水性金属闪光漆；碱溶胀牛顿型和假塑型增稠剂配用，可获得良好的贮存性和涂膜外观。
本试验选择了可提供低剪切黏度、抗流挂、抗沉降的疏水改性碱溶胀缔合型增稠剂DR-72，以及可提供高剪切黏度、流平性、假塑性的同类增稠剂DR-73，两者以质量比1∶1配用，用量为1%时，效果较理想。
增稠剂用量对涂料性能的影响见表8。
2.6 中和剂的选择
在水性涂料中，常采用中和剂来调节体系的pH。
中和剂包括碱金属盐、胺和氨等。
使用碱金属盐中和涂料体系时，金属离子会残留在涂膜中，影响涂膜性能；氨水挥发快，涂料的贮存稳定性不佳，且对颜料的润湿性差，因此这两种中和剂都不易在水性金属闪光漆中使用。
适宜的中和剂有三乙胺（TEA）、二甲基乙醇胺（DMEA）、2-氨基甲基-1-丙醇（AMP-95）。
常用中和剂的基本性能见表9。
根据中和剂的沸点、挥发速度、碱性强弱、涂膜干燥条件选择适宜的中和剂品种，有助于获得最佳的干燥速度、最优的涂膜外观和最好的综合性能。
当涂料需要在常温条件下干燥时，可选用沸点较低的三乙胺作中和剂；需要在80℃左右强制干燥时，可选用沸点较低的二甲基乙醇胺作中和剂；需要在120℃或更高温度下干燥时，则可选用AMP-95作中和剂。
在调整涂料体系pH的过程中，应将TEA或者DMEA 用水稀释至20%左右加入，避免直接加入时因胺浓度高、碱性强而引起树脂结块。
当涂料体系的pH<7或>9时，铝粉表面会发生反应，变黑、胀气；当pH稳定在8~8.5时，铝粉及涂料体系的贮存稳定性最好。
2.7 流平剂的选择
为了保证水性铝粉在漆膜中具有较好的定向排列，水性金属闪光漆必须具有一定的触变性，但这也会带来涂膜流平性不良的问题，进而影响到涂膜的鲜映性。
水的表面张力（72.4 mN/m）较高，水性涂料对
基材的润湿性较差，直接影响涂膜的附着力和流平性。
为了降低水性涂料的表面张力，应添加适量润湿流平剂。
为了减少涂料体系中气泡的产生，应选择既对基材润湿性好，又能降低水的表面张力，既不起泡，又不稳泡，且不影响涂层间附着力的润湿流平剂。
通过筛选，最终选择了聚醚改性二甲基硅氧烷溶液BYK-346作为润湿流平剂，该产品具有强降表面张力，改善基材润湿性，不稳泡，不影响重涂性等特点，用量在0.2%~0.5%时，效果较好。
3 结语
（1）研制的水性金属闪光铝粉底漆，选择欧宝迪水性聚氨酯/丙烯酸酯共聚物分散体UC 80作成膜物，用量为50%~60%时，涂膜具有低VOC含量，良好的表面硬度、耐磨性、光泽度、防水性和耐化学品性；（2）铝粉颜料选择了以SiO 2 包覆的强闪型水性铝粉STAPA Hydrolan501、2154，在金属闪光底漆中用量为6% ；
（3）定向剂选择了EVA蜡乳液Aquacer526，在金属闪光漆中用量为6%~10%，取得了良好的铝粉定向排列效果；
（4）选择了DPM和DPnB为成膜助剂，用量为6%~9% ；。
