水性铝粉烤漆的研制与应用

水性铝粉烤漆的研制与应用

□ 商 培，董立志，刘宝勇，赵建成

(河北省水性涂料工程技术研究中心河北晨阳工贸集团有限公司，河北保定 072550)

0 前言

随着汽车工业的发展，金属闪光漆在轿车上的应用日益增加，除了能够提供着色、装饰、遮盖的作用外，金属颜料的随角异向性能够产生梦幻般的感觉，涂膜富有金属质感、细腻柔和。但目前具有此种效果的铝粉漆大部分为溶剂型产品，在涂装过程中挥发大量的苯类等有毒气体，污染环境同时对涂装工人的身体造成危害，金属闪光涂层VOC的排放量问题亟待解决。虽然我国铝粉烤漆与国外发达国家相比，存在着很大的差距，但是我国科技进步，同时随着各种进口原材料的引入，国内对水性铝粉烤漆的研发也逐渐增多，但实现产业化仍存在很多问题，例如闪光效果不稳定、批次重复性差、铝粉定向不好、遮盖力差等。本文研制的水性铝粉烤漆以其良好的闪光性为轿车、摩托车、自行车等产品提供装饰性，还可应用于其他有特殊装饰要求的工业领域，有着广阔的市场前景。
 

1 试验部分

1.1 主要原料与药品

水性丙烯酸树脂A、水性丙烯酸树脂B、部分甲醚化氨基树脂、二甲基乙醇胺、丁醚、丙二醇甲醚、二丙二醇单丁醚、乙烯醋酸乙烯共聚物、聚乙烯蜡、聚酰胺蜡、膨润土、硅酸镁锂、消泡剂、分散剂、4种粒径不同的铝粉、聚氨酯流平剂等。

1.2 主要试验仪器与设备

涂-4杯、分散机、多种光源灯箱、测厚仪、硬度测试仪、光泽测试仪、附着力测试仪、冲击测试仪、柔韧性测试仪、测色分光光度仪：美国MAC-BETH公司、微型橘皮鲜映性（DOI）测试仪：BYK公司。

1.3 水性铝粉烤漆配方

本课题通过大量的试验，确定了各种原材料种类的选用和配比，并已经通过了现实应用的验证，得到了广大客户的认可，确定的基本配方如表1。

按照表1配方中所列原料顺序分别制成清漆、A聚酰胺蜡浆、B预制铝粉浆，再将A、B加入清漆中，最后加入水调整到所需得黏度。

1.4 水性铝粉烤漆的制备工艺

1.4.1 效应颜料浆的制备

铝粉很难被润湿，分散的效果对涂层最终的闪光性和稳定性起着至关重要的作用。铝粉颜料为特殊的片状结构，过高的剪切力会破坏颜料的形状，使铝粉弯曲或断裂而影响闪光效果。因此在分散铝颜料时，尽量选择叶片式浆叶，低剪切力。分散流程如图1。

通过试验发现，效应颜料浆的静置对于减少铝粉颜料的沉降、抗絮凝等都有帮助，分析原因为：因为铝粉特殊的厚径比，使得颜料不可以参与研磨，充足的熟化时间有助于助溶剂、润湿分散剂对颜料的润湿分散。所以，铝粉分散三要素可总结为：低速、慢加、熟化[1]。

1.4.2 聚酰胺蜡定向剂的预分散

改性聚酰胺蜡带有羧基等极性基团，但水溶性仍然很有限，需要在高剪切力下和较长的搅拌时间，分散流程如图2。

按照图2对聚酰胺蜡定向剂进行预分散，检查AQ-600浆的细度≤20 μm为合格，静置，待气泡消除后使用。在试验中发现，蒸馏水电解质的含量会影响AQ-600的分散效率和透明度，所以应该选择高纯度的去离子水。

由图3可知，在分散AQ-600的过程中pH值的影响很大，当预分散体系pH值＜7时，AQ-600很难均匀分散，结成小颗粒甚至成团状；随着预分散体系pH值的增加AQ-600的细度降低，分散效果好，但增加到一定程度时AQ-600的细度不再降低；在同一分散速率和分散时间的条件下，体系的pH值＞9时，AQ-600的分散性最佳，而碱性太强不利于铝粉漆的稳定性，故调整其pH值为9～10。

1.5 性能测试

1.5.1 涂膜的机械性能测试(见表2)

1.5.2 涂膜的外观检测

（1）目视法检测闪光效果：随观察角度不同呈现出不同色相的现象，就是随角异色性，是涂装过程尽力追求的效果[2]。当铝粉定向均匀时，绝大多数铝粉基本平铺于底材，相反当铝粉定向不好时，成杂乱无章的排列。假设入射光为45°入射，当铝粉定向性不好时，光在各个角度上均产生散射，眼观涂膜表面较刺眼；当铝粉平行排列时，像小镜子一样把光线反射出去，正面观察，颜色发暗，侧面观察时，闪烁度很强。铝粉颜料的定向性越好，随角异色性越强。
（2）测色仪测定闪光效果：采用美国Macbeth多角度分光光度仪分别测试样板在15°、45°、110°的光泽，分别记作：L15°、L110°、L45°，按照公式可计算出涂膜的金属闪光指数，公式如下：FlopIndex=，性能良好的金属闪光漆的效应指数可达15～17[3]。
 

2 结果与讨论

2.1 铝粉颜料的选择与作用

金属铝为两性金属，铝银浆是用高纯度的金属铝为原料，通过湿法球磨制成鳞片状颜料，具有优异的装饰性和保护性，需求量也在不断增长。随着表面处理技术的提升，发展了彩色铝粉颜料、银元形、抛光形、耐酸碱等新型铝粉颜料[4]。高遮盖力、高光亮度、鲜映性强、随角异色性佳、耐介质性强的新型铝粉颜料才能满足汽车涂装的要求。由于铝金属的特性，经过严格的包膜处理才能应用于水性体系，否则铝粉会在很短时间内发黑、甚至胀气。涂装成膜后，铝粉颜料平铺于基材表面，多层排列，相互搭接，相互遮掩，产生迷宫效应，增加了外界液体和气体进入涂膜的路径，提高了涂膜的防腐蚀性能。铝粉颜料反射能力强，提高涂膜的耐候性，使涂膜产生随角异色性。

2.1.1 效应颜料的粒径大小和粒径分布的影响

效应颜料的粒径大小和粒径分布对涂膜的遮盖力、闪光性、鲜映性直接相关，是颜料生产过程中质量控制的关键指标。其相关性能如表3。

在试验中发现，为了达到涂膜遮盖力、闪光性、鲜映性等性能的统一，可以将不同粒径的铝粉颜料混拼。本试验比较了4种铝粉颜料，最终选择的是粗闪型、色调清晰的30 μm银元形、高亮度12 μm的铝粉按1∶1拼合，得到和样板相似的涂膜效果。

2.1.2 铝粉颜料的添加量的影响

铝粉颜料的添加量不是越多越好，要根据铝粉本身的特点确定最佳的添加量，满足性能和成本的要求。

由表4可知：随着颜料加量的增加，遮盖力提高，涂膜由光滑变得粗糙，光泽略降，闪光性由弱变强，由强再变弱。当加量为8%时，综合性能达到最优。当用量过大时，颜料重叠、挤压、堆积，反而影响铝粉颜料的定向。

2.2 基体树脂的影响

2.2.1 树脂的选择

树脂的选择对金属闪光漆独特的光学效果的产生尤为重要，直接影响涂膜的各项物理化学性能和颜料的闪光指数。水性丙烯酸树脂中含有一定数量的羟基、羧基、酰胺基、醚基等极性、亲水基团，通过加入胺类中和剂，而达到良好的水溶性。羟基和羧基能够和体系中的水和其他极性溶剂缔合成网状，具有触变性流体的性质，具有剪切变稀的性质。从此角度来讲，水性体系较溶剂型体系更易于铝粉的定向排列。水性金属闪光漆要选择酸值低、颜色浅、透明度高、对效应颜料润湿亲和性好、不与铝粉反应、具有优良的理化性能和卓越的耐候性的树脂[5]。由于丙烯酸树脂色泽浅、保光保色性佳、光泽高、广泛应用于高装饰性、高耐候的场合，适合制备水性铝粉漆。4种丙烯酸树脂的性能对比如表5。

高固、低黏、玻璃化转变温度较低的树脂丰满度高，但干燥性较差，涂膜在干燥时收缩力较小，使铝粉易于翻滚运动，不利于定向。高黏、低固、玻璃化转变温度高的树脂干燥性好，黏度上升快，能够冻结铝粉的无序排列，但丰满度低。通过试验发现，丙烯酸树脂1号和2号两种树脂混拼，使涂膜的丰满度和颜料的定向性达到了平衡。

2.2.2 固化剂的选择

氨基树脂具有色泽浅、硬度高、清晰度高的特点，其活性基团能够和丙烯酸树脂中的羟基、羧基交联反应。丙烯酸树脂和氨基树脂以适当的比例配合，形成适当的网状交联，使涂膜各项性能指标满足使用要求。羧基在交联反应过程中，能够起到催化剂的作用。甲醚化程度越高，交联温度也要提高，需要加入适当的酸性催化剂来降低交联温度，但酸性物质的加入会影响铝粉颜料的稳定性，减少铝粉的贮存时间。在铝粉烤漆中，尽可能选择部分甲醚化氨基树脂。

2.3 pH值的影响

树脂的水溶性需要碱性环境，AQ-600在酸性环境中会产生白色絮状沉淀，形成颗粒。水性铝粉漆在过酸、过碱的体系中，长期存放会变黑，铝粉在中性环境中比较稳定。测试铝粉在不同pH值时的胀气情况，效果如图4。

由图4可知，整个涂料体系pH值在7～7.5时铝粉的稳定性最好，此时铝粉表面不易发生任何反应，但是此时的pH值导致树脂的水溶性差，AQ-600返粗结粒；涂料体系在8～8.5时，铝粉的稳定性，树脂的水溶性、AQ-600的分散性能够达到统一，满足性能要求。整个涂料体系pH值为酸性或者大于9时，铝粉就会出现严重的胀气现象，同时表面发黑。

2.4 助溶剂的选择

选择助溶剂时考虑的评价因素主要包括：对树脂的溶解力、挥发速率、沸点、黏度、闪点、表面张力、价格和毒性。助溶剂能够使水性树脂更好地分散在水中，调整体系的黏度、流变性，对涂膜的外观和涂膜性能都有影响[6]。由于水的蒸发热和热容值高，导致水性涂料干燥慢，受环境温湿度的影响较大，涂膜易产生流挂，导致铝粉定向性差。在满足树脂溶解性、涂膜流平的前提下，尽量选择挥发速率快的溶剂，如异丙醇、仲丁醇、乙醇。湿涂膜在干燥过程中，快速收缩速率有助于铝粉定向。在湿碰湿工艺中，在金属闪光漆中添加快干性溶剂，能够是涂膜喷得较干，避免被罩光漆溶剂再溶解,导致铝粉发生移动，形成不规则排列。

2.5 润湿分散剂对铝粉分散效果的影响

在金属闪光漆制备过程中，选用的助剂主要是提高铝粉颜料的润湿分散、定向，防止防沉、聚集。由试验可知：水性体系对颜料的润湿较差，若直接加入，表面效果差、易沉降。需加入适量的润湿分散剂，并且选水性体系少量的助溶剂作为分散介质，使铝粉均匀分散于基料中。不同润湿分散剂对铝粉分散效果影响如表6所示。

由表6可知：使用BYK192分散铝粉颜料时，铝粉的白度、随角异色性、鲜映性、稳定性均较好。润湿剂能够使液固界面更快地取代固气界面，分散剂的静电斥力和空间位阻，使铝粉均匀地悬浮在树脂载体中而不沉降或聚结。虽然铝粉经过包膜处理，但仍较活泼，可与酸、碱反应。3种分散剂的酸值顺序为：BYKX> BYK190 >BYKX192，有与铝粉反应的可能，故BYK192可得到白度高、稳定的铝粉浆，并且最佳添加量为2%～3%。所以，筛选润湿分散剂时应注意，在满足其水溶的前提下，尽可能选择酸值低的产品，减少对铝粉的影响。在试验中还发现，适合的润湿分散剂还能够提高分散效率、降低浆液黏度、提高遮盖力、防止颜料沉降、改善流平、改善施工、改善清漆层的映像清晰度，使涂膜表面均匀、光滑、细腻，手触无粗糙感。

2.6 分散介质的影响

使用同一分散剂，添加相同的量来测试不同的助溶剂对同一铝粉的分散效果，铝粉与助溶剂的比例为1∶1。

由表7可知：助溶剂作为分散介质，对铝粉的分散效果不同。铝粉经过表面处理后，表层的极性有差异，应选择极性相匹配的溶剂，这样更易润湿颜料表面，从而得到良好的分散效果。常用的分散助溶剂包括醇醚类、醇类溶剂，例如；丙二醇甲醚、丙二醇丁醚等溶剂，要结合铝粉颜料表面特点仔细选择。

2.7 防沉、定向、排列剂的影响

由于金属颜料的三维尺寸厚径比与普通颜料的相差较大，且密度大易沉。片状颜料在涂膜干燥过程中易产生滑动、翻滚。如果防沉、定向措施不到位，会导致颜料在短时间内出现沉降和聚结，影响开罐效果和定向效果。可供选择的防沉定向剂有多种：有机膨润土、硅酸镁锂凝胶、聚脲改性聚氨酯或聚氨酯触变剂、乙烯-醋酸-乙烯蜡（低分子的EVA本身就是无机颜料的分散剂，提高了铝粉颜料的分散性）、聚酰胺蜡、聚乙烯蜡、气相二氧化硅、防流挂树脂，均有助于铝粉的防沉、定向、排列[7]。本试验选择的定向剂包括：乙烯-醋酸-乙烯蜡、聚乙烯蜡、聚酰胺蜡和CMCAB，均对效应颜料具有一定的分散作用。通过评定铝粉的闪光效果，最终确定聚酰胺蜡AQ-600的优势较明显。

蜡类定向剂对铝粉颜料具有很强的锚固作用，特殊的氢键结构使体系缔结为三维网状结构[8]，限制了湿膜在干燥期间由于贝纳尔德涡流引起铝粉的游动和翻滚，使铝粉更好地定向；提高了体系的触变指数，能够使涂料具有剪切变稀的特性。静止时，黏度较高，能够防止颜料沉降；在施工时，受到剪切力的作用，黏度降低得很快，能够满足施工要求。蜡类定向剂密度低，有上浮倾向，即使出现沉降，也是松散的，易被搅起。

CMCAB分子量较高、玻璃化转变温度高、分子结构对称，能够轻易地控制铝粉的沉降、定向和涂料的流挂。在贮存过程中，利用较高的分子量和较高的体系黏度，防止铝粉沉降；在喷涂和闪干过程中，利用快速的溶剂释放性，涂膜体积收缩，使铝粉定向，防止流挂[9]；在烘烤过程中，利用较高的相对分子质量，高Tg，特有的黏度增长特性能够防止涂膜二次溶解，防止铝粉的移动、外翻，造成涂膜发黑、发花[10]。不过，在试验中，发现CMCAB与体系的相容性有限，在贮存过程中有析出的可能。所以，使用受到了限制。

2.8 流平剂的影响

为了保证水性铝粉漆的性能，触变剂必不可少，同时会影响湿涂膜的流平效果。由于水性体系的干燥速率较慢，在温度低、湿度大的环境中，涂膜的干燥速率就更慢。所以，金属闪光漆在调制配方时，快干型助溶剂添加量会相应增加，再加上由于水性体系的润湿性较差，湿涂膜的流平性不够理想，进而影响涂膜的鲜映性。在配方中添加适当的流平剂，如硅类流平剂，丙烯酸类、聚氨酯类流平剂等，能够很好地改善橘纹，提高鲜映性。不过，硅类流平剂可能会影响重涂性，应严格控制其用量。

2.9 施工工艺的影响

“三分涂料，七分施工”在铝粉的施工过程中体现的更为明显，金属闪光漆较本色漆涂装工艺复杂，若操作不当，影响外观装饰性，易产生涂膜弊病。在铝粉漆的配套工艺中采用带色中涂，即中涂的颜色与面漆配套，能够使金属闪光漆的厚度可以从20 μm降到15 μm，减少了涂料的用量，减少流挂等弊端，降低了返修率[11]。　铝粉定向的关键因素是配方的调配，决定性因素是施工环境。在喷涂过程中，环境的温湿度，涂膜的厚度，改变喷枪的设置参数均可以产生不同的喷涂效果，例如喷枪出漆量、喷涂压力、喷枪喷幅、喷枪与基材距离、喷枪类型等，均会影响铝粉漆的表面效果。

2.10 特种助剂

纳米TiO2作为随角异色的效应颜料，添加到金属闪光面漆中，侧视形成蓝色，正视为金黄色，产生的能使汽车面漆大增光辉。据统计，世界上有近一半以上的轿车正在使用类似的金属闪光面漆[12]。
 

3 结语

（1）铝粉定向的动力来源有：涂料在基材表面的流展力，包括涂料本身携带的动能和表面张力；涂膜干燥过程中的体积收缩力；凝胶产生的触变性，减少铝粉的贝纳德涡流。

（2）铝粉的分散介质影响铝粉的分散效果；铝粉颜料的粒径和不同粒径的搭配，会影响涂膜的闪烁度、遮盖力等表观性能；铝粉漆需筛选适合的防沉定向剂。

（3）金属闪光漆独特的光学效果除了与铝粉颜料有关之外，还与成膜物质，助溶剂、助剂、生产工艺、施工工艺等因素有关。