高金属质感的水性铝粉烤漆配方研究

工业涂料  

铝粉漆（亦称金属闪光漆）因其独特的随角异色效果以及金属质感，在涂料领域一直扮演着非常重要的角色，尤其在汽车行业、3C数码产品等领域，涂装铝粉漆比涂装色漆更能获得高端豪华的视觉效果

研究课题：防腐涂料

禹汉文，钟伟山，陈唯，黄坤，张海勇

铝粉漆（亦称金属闪光漆）因其独特的随角异色效果以及金属质感，在涂料领域一直扮演着非常重要的角色，尤其在汽车行业、3C数码产品等领域，涂装铝粉漆比涂装色漆更能获得高端豪华的视觉效果。由于漆膜中金属铝薄片的闪烁特性无法在粉末涂料中有效呈现，所以铝粉漆始终无法被粉末涂料所替代。随着环境保护愈来愈受到重视，铝粉漆油改水是环保政策的大势所趋。

黄宇等通过混拼不同玻璃化转变温度的丙烯酸乳液，提高了漆膜的硬度，测量水性银粉的气体释放量来评估水性银粉的贮存稳定性，利用纤维素酯以及水性蜡浆来提高铝粉排列效果，该方法在铝粉涂料的贮存稳定性方面具备一定的优势，但是金属质感有待提高。同时还有部分厂家采用高酸值丙烯酸树脂，加入大量的醇醚溶剂，经过胺中和之后用去离子水稀释，此种方法可以直接采用油性铝粉，价格低廉，但是贮存时间比较短，要求涂料使用周期短，一般7~10d之内用完，而且产品VOC非常高，铝粉排列效果也差，只能应用在某些特殊场合。

本文采用特殊改性丙烯酸分散体树脂、水性铝粉制备的水性铝粉漆，通过提高水性铝粉烤漆的触变值（TI值），获得很好的铝粉排列效果以及较强的金属质感，涂层效果与溶剂型仿电镀银涂料相似。

1、 实验部分

1.1实验原料

水性聚氨酯（6140）：万华；水性丙烯酸分散体（KT230A）：擎天；水性环氧乳液（8530）：DIC；水性丙烯酸分散体（A145）：科思创；水溶性丙烯酸树脂（1161）：长兴；固化剂（CYMEL303）：美国湛新；N，N-二甲基乙醇胺（DMEA）：三菱；聚氨酯银排助剂（PS166）：湛新；醋丁纤维素银排助剂（350D）：昌东；聚酰胺蜡银排助剂（7720）：龙海；片状硅酸盐银排助剂（RDS）：德国毕克；EVA蜡银排助剂（226）：龙海；消泡剂（byk028）：毕克；润湿剂（Tego270）：迪高；丙二醇甲醚、乙二醇丁醚（BCS）、二丙二醇甲醚（DPM）、二丙二醇丁醚（DPnB）、异丙醇：分析纯，陶氏；无水乙醇：纯度99.5%，陶氏；水性铝粉（3315B、3326B、3335B）：曼特博；水性铝粉（AK2150）：爱卡；水性铝粉（WT311？WT313、WT314）：吉诺；水性铝粉（DL6608）：欧凯；水性铝粉（ZX6015）：族兴；水性铝粉（ST7720）：赛特；去离子水：自制。

1.2高金属质感的水性铝粉清漆的制备

水性铝粉清漆配方如表1所示。先将配方量的DPM和DPnB混合均匀，在搅拌状态下慢速加入到水性树脂KT230A中，以500~600r/min的转速混合5min，然后缓慢添加质量分数为10%的胺中和剂DMEA调节pH至8.0，此时加入CYMEL303固化剂，500~600r/min的转速混合5min，加入去离子水降黏。混合5min后将银排助剂EVA与去离子水预先混合好的溶液缓慢加入，以600~800r/min的转速混合5min，然后以500~600r/min的转速缓慢添加剩余原料，之后以600~800r/min的转速搅拌混合10min，全程控制涂料温度在45℃以下。

表1 高金属质感的水性铝粉清漆参考配方

1.3高金属质感的水性铝粉烤漆的制备

高金属质感的水性铝粉漆配方如表2所示。

表2 高金属质感的水性铝粉烤漆配方

将配方量的水性铝粉3315B置于搅拌罐中，缓慢加入助溶剂BCS，然后采用标格达BGD729桨叶搅拌机以100~300r/min的转速混合搅拌20min，可以避免铝粉的金属片被机械破坏。静置30min后，将水性预分散银浆加入到清漆中，以500~600r/min的转速搅拌混合15min即成高金属质感的水性铝粉烤漆。

1.4性能测试

黏度采用标格达BGD186旋转黏度计按照GB/T9751—2008进行测定，转速为6r/min测出的数值与转速为60r/min测出的数值的比值即为触变值（TI值）；光泽采用GB/T1743—1979进行测定；贮存稳定性按照GB/T6753.3—1986进行测定；银排效果、金属质感、施工性等采用目测对比，最终产品采用德国蔡司EV018扫描电镜仪进行测定；析氢量采用U型管气压计测试，将20g水性铝粉与80g去离子水开稀后，装入专用锥形容器中密闭，连接U型管气压计，7d后观察U型管气压计两端水位的升降变化，高出原来标记的水平面即代表反应放出的氢气体积。

2结果与讨论

2.1水性树脂的选择

水性铝粉漆最关键的要求是具备很强的假塑性，这样在施工后，由于涂料本身具有极高的低剪切黏度，能够让湿膜中的铝粉很快定型，金属铝片在干燥过程中不会再次无序流动。常规的方法是在配方中选用一些增强低剪切黏度的流变助剂来调整体系的假塑性，但这些方法施工窗口窄，往往在空气湿度大、喷漆膜厚较高时，依然出现铝粉发黑的状况。特别是在选用一些水溶性树脂时，由于体系内含有大量的亲水溶剂，无法形成氢键结构，根本达不到强假塑性的要求。涂料的假塑性可以通过测定其TI值来进行比较，较高的TI值可以获得比较理想的施工效果。为了研究市场上常见的5类水性树脂对水性铝粉烤漆性能的影响，对未添加银排树脂和助溶剂的配方进行了调整，调整后的配方如表3所示，漆膜性能测试结果如表4所示。

表3 调整后的配方

表4 不同水性树脂对水性铝粉烤漆性能的影响

由表4可知，施工性和树脂体系有很大关系：乳液体系和分散体体系（丙烯酸分散体、水性聚氨酯？水性环氧乳液）比水溶性体系（水溶性丙烯酸）施工性好，且KT230A在同等实验条件下TI值可以达到2.4，综合性能最好。因此，KT230A更适合用于水性铝粉漆作为主体树脂。

2.2银排助剂的选择

通过加入DMEA，KT230A树脂即可获得比较高的TI值，这对于喷涂施工是有益的，但是对于铝粉漆来说，要想获得最佳的金属质感，除了高TI值利于喷涂外，尚需加入合适的银排助剂来更好地促进铝粉排列，达到一个理想的镜面平铺效果，最终很好地体现出铝粉薄片的金属质感。水性树脂选用KT230A树脂，加入表3配方添加银排助剂后的各原料总质量2%的银排助剂，不同银排助剂对水性铝粉烤漆性能的影响如表5所示。

表5 银排助剂对水性铝粉烤漆性能的影响

由表5所知，以KT230A树脂为主体配方，加入不同的银排助剂可以获得更高的TI值。加入银排助剂片状硅酸盐以及EVA蜡后，在铝粉排列效果、金属质感以及施工性方面皆有很大的提升，但是片状硅酸盐对光泽影响比较明显，因此最终选择EVA蜡作为银排助剂。实验还考察了EVA蜡用量对水性铝粉烤漆性能的影响，结果如表6所示。

表6 EVA蜡用量对水性铝粉烤漆性能的影响

如表6所知，EVA蜡用量<1%时，水性铝粉烤漆TI值变化不大，EVA蜡用量为2%~3%时，TI值显著提高，漆膜金属质感也明显变强；当EVA蜡用量为4%时，TI值达到6.1，此时水性铝粉烤漆已经不能正常流动，影响涂料的正常喷涂，漆膜光泽也严重下降，因此EVA蜡用量为2%~3%较为适宜。

2.3助溶剂的选择

水性涂料中，由于主要稀释剂是水，助溶剂可以帮助润湿分散铝粉以及满足喷涂工艺的需要。由于水的挥发潜热大，溶剂型铝粉漆中溶剂作为调节挥发速率的功能在水性涂料中根本发挥不了，因此水性铝粉漆配方中选择溶剂来分散润湿水性铝粉需要综合对比，表7为不同助溶剂对水性铝粉烤漆性能的影响。

表7 助溶剂对水性铝粉烤漆性能的影响

由表7所知，从施工性以及光泽来看，相对挥发较快的溶剂（乙醇、异丙醇）表现较差，这和溶剂型铝粉漆存在比较大的差异。从贮存性来分析，采用DPM+DPnB+BCS的方案是最好的。考虑到配方中不同沸点助溶剂的搭配使用有助于促进铝粉的排列，最终确定m（DPM）∶m（DPnB）∶m（BCS）=30∶20∶50作为分散润湿铝粉的混合溶剂使用。

2.4水性铝粉的选择

水性铝粉一般通过以下几个方面进行选择：铝粉在水溶液中的析氢量、贮存稳定性、漆膜的金属感以及外观。前2个指标是配方性能基础，最后的指标是本研究中的特殊要求，也是最关键的性能指标。不同水性铝粉性能及其对水性铝粉烤漆性能的影响如表8所示。

表8 不同水性铝粉性能及其对水性铝粉烤漆性能的影响

由表8可知，铝粉平均粒径越大，金属质感更强，但是漆膜中铝粉的颗粒感也越明显。粒径>25μm后，漆膜中毛刺现象相对明显，主要由铝粉的粒径分布宽窄决定的，粒径分布窄，毛刺现象少，粒径分布宽，毛刺现象明显。进口AK2150铝粉析氢量最低，贮存稳定性也好，外观平整细腻，但是金属感相对来说不如某些国产水性铝粉，可能是过分注重铝粉的包裹性能，结果影响到漆膜的金属感；同时相对成本高，因此本研究不作重点考虑。水性铝粉3315B采用了纳米二氧化硅沉积包覆和表面有机聚合物包覆再改性工艺，并在聚合物上接枝特定的功能基团，从而提升了水性铝银浆的金属质感。实验结果显示在金属质感、贮存性、析氢量等方面均有不错的表现，同时相对进口水性铝粉，成本可以下降40%左右，因此本文中实验以水性铝粉3315B作为配方最佳选择。

2.5高金属质感水性铝粉烤漆的综合性能

通过上述配方对比优化，水性树脂选用KT230A，银排助剂选用EVA蜡，水性铝粉选择3315B，分散润湿铝粉用助溶剂选用DPM+DPnB+BCS的方案，制备得到样品AU26800，漆膜固化后性能按照相关国家标准检测，检测结果如表9所示，达到了行业标准要求。

表9 涂层性能检测指标及结果

2.5.1表面形貌分析

铝粉排列以及金属质感采取高倍放大器以及电镜扫描的方式表征，市售产品WN250与样品AU26800的高倍放大镜（放大倍数100倍）和扫描电镜（放大倍数200倍）表征结果如图1和图2所示。

结合图1和图2可知，WN250中银粉团簇现象比较明显，且银粉颗粒非常大，银粉薄片排列杂乱无章。样品AU26800中银粉则分散非常均匀，银粉颗粒有序平铺，形成非常规整的小镜面，显得细密。

图1 高倍放大镜表征结果

图2 扫描电镜表征结果

2.5.2喷涂适应性分析

实验过程中采用手工空气喷涂时，当水性铝粉烤漆TI值为6.0时，虽然涂料本身假塑性非常强，但是在实际喷涂过程中因为重力的关系，水性铝粉烤漆还是能自然流动，不会影响正常供漆；而在欧米茄静电喷涂系统应用时，喷涂方式是以离心力把漆滴甩出，雾化效果较差，因此在流平方面存在很大差距，通过调整TI值范围为3.5~4.5，黏度调低到20~25s（涂-4#杯），可以很好地满足静电喷涂施工。

3结语

通过实验对比，采用KT230A特殊改性树脂加入DMEA，搭配CYMEL303固化剂，选择水性铝粉3315B，添加不同用量的水性银排助剂EVA蜡，水性铝粉烤漆TI值可达3.5~6.0，通过手工空气喷涂，可以得到一种银排非常好的高金属质感水性铝粉漆；而要满足静电喷涂，则需要将TI值范围调整到3.5~4.5。

本文来源：2021年《涂料工业》第1期