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一种新型水性玻璃烤漆的研究与制备 |
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作者：张兴桥 庄新民 朱汉良 朱平阳 |
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摘要：讨论了烘烤温度、基体树脂/交联剂配比、偶联剂种类及用量对漆膜耐水性、耐醇性、耐磨耗及硬度的影响，结果表明：基体树脂/交联剂为9∶（1.5~1），添加1.0%~1.2%自制偶联剂，在120~140℃条件下烘烤30min左右，制得的漆膜具有良好的耐水、耐磨、耐醇性及高硬度等特性。
关键词：水性涂料；耐水性；耐醇性；玻璃烤漆
0引言
玻璃及玻璃制品的涂装保护与装饰在工业和民用领域有着广泛的需求，如灯饰、酒瓶、香水瓶、透镜和玻璃仪器等都需要在表面涂覆保护层和装饰涂层。目前，国内应用的玻璃涂料多为溶剂型产品，随着人们环保意识的提高和环保法律法规的健全，水性涂料在玻璃上的应用受到极大的重视［1］。采用聚氨酯水分散体、水溶性聚丙烯酸树脂、氨酯型及改性的丙烯酸树脂制备的单组分水性玻璃漆在玻璃底材上存在附着力、耐醇性、耐水性、耐磨耗性差及硬度低等缺点［2］。水性双组分室温固化玻璃漆在施工过程中过短的适用期会给施工造成一定的困难，同时也引起漆料的浪费及施工现场混合不均等难题［3］。针对市场上现有水性玻璃涂料存在的问题，本文研制出对玻璃底材具有良好干、湿附着力、耐醇性、耐水性、耐磨性好及高硬度的新型水性玻璃烤漆，并考察了烘烤温度、基体树脂/交联剂配比、偶联剂种类及用量对漆膜耐水性、耐醇性、耐磨性和硬度的影响。
1实验部分
1.1原材料与设备
水性丙烯酸树脂，自制；氨基树脂，江苏三木化工公司；润湿剂，广州斯洛克化学；流平剂，Ciba；偶联剂，自制；消泡剂1、抗刮剂，深圳海川化工；消泡剂2，南京四新化学；pH调节剂，自制。TD6001电子天平，天津天平仪器有限公司；JJ-1电动搅拌机，江苏金坛仪器有限公司；划格器、湿膜制备仪，上海现代环境工程技术有限公司；QHQ-型漆膜铅笔硬度划痕硬度计、磨耗试验机，天津永利达材料实验机有限公司；XHT-2型高温湿热仪，上海杰颖电子技术有限公司；101A-1恒温烤箱，上海路康仪器有限公司。
1.2 基础配方及工艺
水性玻璃烤漆配方见表1。 表1水性玻璃烤漆配方
 1.3水性玻璃烤漆的制备工艺
用电子天平称取定量的原材料，在低速搅拌条件下依次将原材料1~9添加到容器中，加入pH调节剂调整体系pH值为弱酸性。在转速为900r/min下搅拌10min，均匀混合后，制得成品。
1.4 性能测试
漆膜制备及性能检测参照标准见表2。表2 漆膜制备及性能检测参照标准
 2 结果与讨论
2.1 烘烤温度对漆膜性能的影响（表3）表3 烘烤温度对漆膜性能的影响
注：底材：毛玻璃；耐醇性、耐磨性检测以露底为准。 烘烤温度是影响漆膜基本性能的重要因素。丙烯酸树脂与氨基树脂的交联作用需要在一定温度下才能进行，且交联固化的完全与否直接影响漆膜物性的好坏。表3表明：烘烤温度从90~130℃逐渐升高时，漆膜的物性随温度的升高明显增强；当烘烤温度超过140℃时，随烘烤温度的升高漆膜的物性开始下降，温度过高时漆膜开始泛黄，同时耐水、耐醇、耐磨等性能都会不同程度的下降。从表3可知：烘烤温度在120~140℃之间为宜。烘烤温度过低，交联固化不完全，漆膜中的反应型基团（如羟基、羧基、氨基等）未能完全参与固化反应，导致涂膜的基本物性难以达到使用要求；烘烤温度过高，会导致原已形成致密结构的漆膜发生焦化或聚合物中部分化学键的高温不稳定性，发生化学键的断裂，改变了漆膜的致密性所形成的微孔结构，增加了液相物质在漆膜中向底材的渗透几率，形成的液相-底材界面取代原有的漆膜-底材界面。基体树脂与甲醚化氨基树脂的反应过程如下［4］：
弱酸性物质对该反应具有催化作用。过高的烘烤温度在加速漆膜分解的同时，还加快了酸性物质的挥发，使有机酸催化剂的利用率降低。因此选择合适的固化温度是影响漆膜基本物性的关键性因素［5］。
2.2 交联剂用量对漆膜性能的影响
改变氨基树脂与基体树脂的配比，考察交联剂用量对漆膜物性的影响，结果见表4。表4 交联剂用量对漆膜物性的影响
 从表4可知：两者合适的配比为：9∶（1~1.5）。交联剂用量增加，漆膜的耐水、耐醇、硬度及耐磨等性能均增加。交联剂与基体树脂配比为1∶9时，漆膜的各项性能较好，继续增加交联剂的用量时，漆膜的各项性能开始呈现降低的趋势。本文中氨基树脂具有良好的水溶性，其用量低时，基体树脂不能完全参与固化反应，漆膜中仍然保留部分未反应的亲水性基团（如：羟基、羧基等），基__体树脂多以单体形式存在，这些单体发生自聚时形成对漆膜具有增塑作用的线型结构，当有外力作用时会发生分子链的滑动，反而降低了漆膜的机械性能［7］；交联剂用量过大，漆膜中的亲水性基团由交联剂引入，由于这些亲水性基团易与水或醇形成氢键作用，故表现为漆膜的耐水、耐醇性下降。
2.3偶联剂种类及用量的选择
本文选用了3种偶联剂，考察其对漆膜耐水性和耐醇性的影响，结果见表5。表5 不同偶联剂对漆膜耐水、耐醇性的影响
注：偶联剂用量为配方总量的1%。 从表5可知：偶联剂3能改善漆膜的耐水性及耐醇性。当添加1%偶联剂3时，漆膜的耐水性及耐醇性足以满足涂装表面的使用要求。偶联剂3的具体用量对漆膜耐水性和耐醇性的影响见图1。
图1 偶联剂3对涂膜性能的影响
从图1可知：随偶联剂3用量的增加，漆膜的耐水性和耐醇性逐渐提高，当其添加量在0.2%~0.8%之间时，耐水性和耐醇性变化更加明显。当其用量增加到0.8%以上时，耐水性和耐醇性提高的幅度趋缓。用量增加到1.0%~1.2%时，漆膜的耐水性可达170h以上。此时，随偶联剂用量的增加，漆膜的耐水性和耐醇性趋于稳定，通过增加偶联剂3的用量来提高漆膜的耐水性和耐醇性已无意义。综合两者的变化情况，偶联剂3在配方中的用量为1.0%~1.2%。偶联剂3为硅氧烷偶联剂，其结构式如下：
R—SiX3
其中，R为氨基、双氨基、甲基丙烯酸酯基、环氧基、乙烯基、氯化烷基等；
X为可水解的有机官能团，一般为甲基。
涂料中添加硅氧烷偶联剂在涂布施工后，硅氧烷偶联剂向底材的界面迁移，在无机表面发生水解可生成硅醇基进而和底材表面上的羟基形成氢键或缩合成Si—O—M（M代表金属、玻璃等）共价键，而硅烷上的R有机官能团则与涂料树脂或固化剂（反应型基团为亲水性的氨基、羟基、羧基等）进行反应，键合或形成纠结缠绕，从而达到增进附着、减少水或醇类物质向底材的渗透及对漆膜的溶解性等作用。同时，硅烷各分子键的硅醇基也会与漆膜相互缩合形成网状结构。
3 结语
对不同烘烤温度、基体树脂/交联剂配比、偶联剂种类和用量对漆膜耐水性、耐醇性、硬度及耐磨性的影响进行讨论，并对其作用机理进行探索。结果表明：基体树脂/交联剂配比为：9∶（1~1.5），偶联剂3添加量为配方总量的1.0%~1.2%，在120~130℃条件下烘烤30min左右制备而成的水性玻璃烤漆漆膜具有优良的耐水性、耐醇性、耐磨性及高硬度。(end)
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(11/28/2013) |
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