高性能双组分聚氨酯汽车面漆的研制
许君栋, 濮国尧, 王 宏, 何淑芬 ( 中化建常州涂料化工研究院, 213016)
0 引 言
随着汽车工业的飞速发展, 对汽车涂装的要求越来越高。汽车面漆必须具备高性能和高装饰性。另外, 随着世界工业的飞速发展, 三废对环境的污染越来越严重, 三废所带来的酸雨对汽车表面涂层的破坏也越来越突出。双组分聚氨酯涂膜具有优异的耐化学品性、耐候性及物理机械性能, 其卓越的耐酸雨性能、耐划伤性能日渐受到汽车业界的重视, 双组分聚氨酯涂料不仅用于客车, 也广泛用于豪华轿车。本文对实色聚氨酯汽车面漆在研制过程中原材料的选择进行了探讨。
1 实 验
1. 1 原料
丙烯酸树脂, 进口:
聚酯树脂, 进口;
二氧化钛( 金红石型) , 进口;
BYK- 110、BYK- 306、BYK- 358, 进口;
有机锡, 进口;
紫外光吸收剂, 汽巴- 嘉基公司;
二甲苯、醋酸丁酯、环己酮, 国产工业一级;
固化剂, 进口。
固化剂, 进口。
1.2 涂料的制备
1. 2. 1 浆的制备
将兑稀好的BYK- 110 投入部分丙烯酸树脂中,搅匀, 加入二氧化钛, 充分搅拌分散至无块状物; 放置过夜, 进行研磨分散, 分散成10 um 以下的色浆, 测固体分, 备用。
1. 2. 2 调漆
于调漆缸中按配料顺序依次加入色浆及剩余的丙烯酸树脂、聚酯树脂、BYK- 306、BYK- 358、有机锡、紫外光吸收剂等助剂, 加入二甲苯、醋酸丁酯、环己酮等溶剂, 调整至相应的固体分。
涂料基本配方如表1。
1. 3 性能测试及指标
涂膜性能指标见表2。
2. 1. 2 聚酯树脂的选择
2 结果与讨论
2. 1 原材料的选择
2. 1. 1 丙烯酸树脂的选择
丙烯酸树脂为含羟基丙烯酸树脂, 含羟基的丙烯酸树脂或改性树脂与脂肪族多异氰酸酯配合, 可制得性能优良的聚氨酯涂料。丙烯酸树脂耐候性优良, 干燥快, 具有较聚酯树脂好的保光、保光性, 因为它不吸收300 nm 以上的紫外光及可见光, 其主链的碳- 碳键耐水解。含羟基的丙烯酸树脂与多异氰酸酯交联的漆膜, 比单纯的丙烯酸树脂固体含量高, 耐溶剂, 而且机械性能高。树脂的羟基含量决定了树脂反应活性及交联密度、耐沾污性、耐溶剂性。丙烯酸树脂的玻璃化温度10~ 40℃ , 羟基含量为3.0% ~ 4.5%, 相对分子质量大约为8 000~ 15 000 时, 这类丙烯酸树脂与多异氰酸酯交联后, 可获得较为理想的性能。
聚酯树脂是由多元醇、多元酸等聚合而成的饱和聚酯树脂。树脂的长碳链平衡树脂的柔韧性和硬度;存在的一定支化度和非极性侧链可提供其硬度及耐化学品性。聚酯树脂形成的漆膜耐候性好、不泛黄、耐溶剂、耐热性好。与丙烯酸树脂相比, 聚酯树脂的相对分子质量低, 固体分高, 易制成高固体涂料, 提高丰满度。聚酯树脂与丙烯酸树脂配合使用, 还必须考虑两者的相容性以及综合性能等。
2. 1. 3 颜料的选择
实色面漆试制过程中选用的颜料应具有高装饰性, 色彩鲜艳明亮, 色牢度佳, 耐溶剂、耐化学品性、耐热性、耐候性优, 着色力强, 遮盖力好, 以便获得颜料体积浓度比低的漆膜。
2. 1. 4 固化剂的选择
由于汽车涂料的外用、高耐候、高装饰性等特殊要求, 因此它的固化交联剂也只能是脂肪族或脂环族这一类在长期经受日晒夜露、风吹雨打的苛刻条件下都不泛黄, 耐候性特别突出的异氰酸酯的化合物。目前比较常用的是六亚甲基二异氰酸酯(HDI) 缩二脲、HDI 三聚体、异佛尔酮二异氰酸酯( IPDI) 三聚体等。HDI 缩二脲比较有代表性的商品有德国拜耳公司的Desmodur N 75、罗地亚的HDB75 等。HDI 三聚体与HDI 缩二脲相比较具有干燥速度快、涂层硬度高以及耐候性获得进一步改善等特点, 主要原因是其自聚形成的六元环具有较高的稳定性。主要产品有拜耳公司的Desmodur N3300、N3390, 罗地亚的HDT90 等。异佛尔酮二异氰酸酯( IPDI) 三聚体与以上2 种异氰酸酯相比, 具有下述特点: (1) 与各种树脂、溶剂的混容性都非常好, 为配方设计带来极大的方便; (2) 对空气中潮湿的敏感性相对偏低, 这样可以避免因湿度大而引起的漆膜弊病; (3) 单体或三聚体的毒性偏低。因此异佛尔酮二异氰酸酯( IPDI) 三聚体也得到了广泛的应用。表3 列出了HDI 衍生物与IPDI 三聚体的性能比较。
从表3 中数据可知, IPDI 三聚体在某些性能上优于HDI 衍生物。IPDI 三聚体可以和几乎所有的含羟基树脂及其他树脂相配合, 还可以和其他脂肪族、芳香族异氰酸酯混容。IPDI 三聚体还可以大大减少不沾尘时间, 但IPDI 三聚体的价格偏高。如果将HDI缩二脲与IPDI 三聚体按一定比例混合使用, 就可以较为明显地缩短涂层的不沾尘时间, 同时其硬度和耐候性也有一定程度的改善和提高。
2. 2 树脂的影响
丙烯酸树脂、聚酯树脂的混合使用可以起取长补短的作用。丙烯酸树脂可改善干性, 缩短涂层的不沾尘时间, 提高涂层的硬度; 而聚酯树脂则提高了涂料施工固体分, 涂膜的丰满度; 只要两树脂搭配得当, 产品的施工性、耐候性均可以得到满意的效果。试制效果表明丙烯酸树脂和聚酯树脂理想的用量比为70~85:15~ 30; 若聚酯树脂用量较高, 用量比为60:40, 则涂膜的不沾尘时间较长, 涂膜偏软, 耐候性也较差; 若丙烯酸树脂用量较高, 用量比为90:10, 则涂膜硬度较高, 涂膜表现为脆性, 附着力、耐冲击性差。丙烯酸树脂与聚酯树脂质量比对漆膜性能的影响见表4。
2. 3 助剂的影响
聚氨酯涂料, 特别是用作汽车修补的聚氨酯涂料, 助剂的应用显得更为重要。一般在这类涂料中添加助剂, 以改善涂料的施工性能; 改善涂层的外观、装饰性; 提高涂料的贮存稳定性; 改善涂料的开罐性能;提高涂料的生产效率等。
2.3.1 催化剂
在聚氨酯涂料的制造、加工以及施工后固化成膜的过程中都要使用催化剂, 主要用来加速异氰酸酯基与活性氢化合物的反应。因此, 催化剂的正确选择和使用非常重要。催化剂的使用取决于很多因素, 如聚氨酯中两个组分的品种、反应条件、环境温度以及催化剂的种类等。值得注意的是, 能够加速异氰酸酯基与活性氢化合物反应的催化剂尽管能够有效地缩短干燥时间, 但同时也缩短了双组分涂料配漆后的适用期。干燥时间与适用期两者之间应该很好地权衡, 然后再确定催化剂的正确用量。合理的用量在0.03% ~ 0.1% 之间。催化剂用量对漆膜性能的影响见表5。
2.3.2 流平剂
汽车涂层的外观要求非常高。因此必须对涂料的流变性能作出认真、仔细的考虑, 解决好成膜厚度、流挂与流平性之间的平衡问题。流平剂的主要作用是降低涂料系统的表面张力, 增加其在低剪切应力下的流动性能, 使涂膜平整光滑, 无缩孔、凹陷、刷痕以及桔皮等表面缺陷。流平剂用量对漆膜性能的影响见表6。
2.3.3 分散剂
汽车涂层的高装饰性要求涂料分散均匀, 稳定,涂膜色彩鲜艳明亮。在色浆分散过程中添加分散剂是非常必要的, 它不仅能防止浮色发花, 提高贮存稳定性, 还可以提高分散效率。节省工耗, 生产过程中可根据颜料的吸油量, 分散的难易程度选择使用分散剂。本次试验使用的分散剂是BYK- 110, 它对分散二氧化钛有着良好的效果, 分散剂的用量通常为二氧化钛质量的0.2%~ 3%。
2.3.4 紫外光吸收剂
由于对汽车涂料耐候性的苛刻要求, 几乎所有的汽车涂料都加有紫外光吸收剂。在丙烯酸聚氨酯涂料中加入紫外光吸收剂旨在进一步提高其耐候性以及保光、保色性能。由于多数紫外光吸收剂都含有活性氢, 配漆后必然会与甲组分中的NCO 基发生反应,所以在丙烯酸聚氨酯涂料中采用紫外光吸收剂须谨慎, 对于配漆后的适用期应从催化剂、紫外光吸收剂以及聚合物的活性等几个方面平衡调整。一般用量为涂料质量的1%~ 5%。
2. 4 NCO/ OH比例的影响
双组分聚氨酯涂料的制造技术之一是确定恰当的NCO/OH 比例。按常规, 往往设定NCO/ OH 为1,即1 个NCO 基与1 个OH 基反应生成聚氨酯。但实际情况要通过试验研究, 以确定恰当的比例, 满足性能的要求。若多异氰酸酯加入太少, 不足与羟基反应, 则漆膜交联度较低, 耐溶剂性、耐化学品性、耐水性下降, 甚至漆膜发软。若多异氰酸酯加入太多, 则多余的NCO 基吸收空气中潮气转化成脲, 增加交联密度, 提高耐溶剂性、耐化学品性, 涂料的施工时限较长, 多余NCO 太多时, 漆膜较脆。一般双组分聚氨酯涂料的NCO/OH 比例为1.05~ 1.2 之间。NCO/OH比例对漆膜性能的影响见表7。
3 结 语
试制树脂选用高装饰性、高固体分丙烯酸、聚酯树脂, 选用合适的颜料、助剂, 研制成高性能的双组分聚氨酯汽车面漆。该实色双组分聚氨酯汽车面漆具有较好的丰满度、流平性及鲜映性; 漆膜柔韧性、硬度适中, 综合性能指标达到佳平衡。
