邱学科，朱德勇
（拜耳材料科技（中国）有限公司， 上海 201206）
摘要：简述了大型交通工具用水性化涂料体系特征。阐明了水性聚氨酯金属闪光漆的配制方法、性能和原材料的选择，并介绍了水性聚氨酯金属闪光漆的施工工艺。
关键词：水性金属闪光漆；水性聚氨酯底色漆；水性铝粉-珠光粉
中图分类号：TQ 630.7 文献标识码：A文章编号：1009-1696 （2014） 08-0004-04
The Application Study of Waterborne Polyurethane Metallic Paint in Large Vehicles
Qiu Xueke， Zhu Deyong
（Bayer Material Science （China） Co.， Ltd.， Shanghai， 201206， China）
Abstract ： The characteristics of waterborne coatings system for large vehicles were briefly introduced ；the preparing methods， performance and materials selection of waterborne polyurethane metallic paint were explained ；and the application technology of the paint was introduced.
Key Words：waterborne metallic paint；waterborne polyurethane basecoat； aqueous aluminum-pearl powder
引言
大型交通工具是指轨道车辆、城市公共汽车、大巴车等，这些交通工具由于体积、材质的原因，其原厂漆和修补漆不适合高温烘烤，只能低温烘烤或者常温自干。 随着经济和社会的发展，人们对其外观要求越来越高。而金属闪光漆因为所含的效果颜料（银色效果的铝片和珠光效果的云母片）所产生的随角异色的特殊效果而受到广泛欢迎。随着新的环境保护法的实施，政府对环境保护力度的加大，大型交通工具漆会完全转成水性漆。
图1 大型交通工具的经典涂层结构图
Figure 1 The typical coating structure diagram of large vehicles
总计涂层厚度：约150μm（不含腻子）
图1是大型交通工具的经典涂层结构图。除了不饱和聚酯腻子外，底漆、中涂漆、底色漆和罩光清漆都可以转成水性聚氨酯漆，现在国内已经有实际的案例。本文主要讨论基于拜耳聚氨酯分散体技术的水性金属闪光底色漆。
1、实验部分
1.1 原材料
水性聚氨酯分散体：德国拜耳公司 ；水性润湿分散剂、水性消泡剂：德国迪高公司；定向剂：德国毕克公司；铝粉：德国爱卡公司；乙二醇丁醚：分析纯；N，N-二甲基乙醇胺：分析纯；去离子水自制。
1.2 实验配方
大型交通工具用水性金属闪光底色漆的配方如表1所示。
表1 大型交通工具用水性金属闪光底色漆配方
Table 1 The formulation of the waterborne metallic basecoat for large vehicles
1.3 制备工艺
首先，将分散剂加入至一定比例的水和溶剂中，搅拌均匀，再加入水性铝粉（珠光粉），低速搅拌均匀，浸泡24h，备用。其次，将水性流变剂和增稠剂在水中混合均匀，依次加入消泡剂、定向剂、助溶剂和一定量的有机胺溶液，高速搅拌均匀后加入水性聚氨酯分散体，中速分散30min，调节pH至8.0~8.5。然后，将制得的水性铝粉浆与去离子水混合均匀后，在较低的剪切速率下加入到已配制好的树脂液中，低速搅拌下分散5~10min，使漆液充分混合均匀，过滤，即制得水性金属闪光底色漆。无论是水性铝粉（珠光粉）浆还是水性金属闪光漆的配制，均应在较低的剪切速率下进行，同时，为了使铝粉颜料产生金属闪光效应，必须将其分散均匀。
1.4 施工工艺
本试验采用CED（电泳漆）板作为试验底材，用乙醇除油、除水、洗净后即可喷涂水性金属闪光底色漆。在原漆中加入10%~20%的去离子水，调整施工黏度在涂-4杯20~30s，用SATA HVLP4000型号喷枪喷涂，调节枪内气压为1.5~2.0×105 Pa，喷涂距离为10~20 cm，喷涂2~3道，每道闪干5~10min（至表干）；然后“湿碰湿”罩涂水性双组分聚氨酯清漆。
1.5 性能指标
水性金属闪光底色漆的性能指标见表2。
表2 水性金属闪光底色漆性能指标
Table 2 The performance index of waterborne metallic basecoat
2、结果与讨论
2.1 成膜树脂的选择
聚氨酯树脂一般是由两个或两个以上异氰酸酯基（—NCO）化合物与含两个或两个以上活泼氢（如含羟基、氨基）的化合物聚合而成。该聚合物分子结构中含相当数量的氨酯键（—NHCOO—），可能含有醚键（—O—）、酯键（—COOR）、脲键（—NH—CO—NH—）、脲基甲酸酯键（R—HN—CO—NR—CO—NH—R）。由于上述化学键的存在，使得相邻分子链间有多重氢键，多重氢键的形成使线性聚合物在相对分子质量较低的情况下，具有较好的性能；在外力作用下，氢键的存在可以分离并吸收外来的能量；外力去除后，氢键重新形成。如此氢键断裂又形成的可逆循环，使得聚氨酯涂层具有很高的耐磨性和柔韧性，同时具有优良的附着力、耐高低温性、耐化学品性、耐酸性、耐碱性、耐盐性、耐石油产品性等。另一方面，聚氨酯树脂可以看作是软链段和硬链段的嵌段共聚物。软段由低聚物多元醇（通常是聚酯二元醇）组成，硬段由多异氰酸酯或小分子扩链剂组成。由于两种链段的热力学不相容性，会产生微观相分离，在聚合物内部形成相区或微相区。聚氨酯的硬段相起增强作用，提供多官能度物理交联；软段相起到很好的增塑作用。
2.2 铝粉和珠光粉的选择
由于金属铝为两性金属，能直接与水反应，放出氢气。在水性涂料中使用的铝粉需要进行表面处理，据国外相关资料介绍〔1〕，主要有以下几种处理方法：用表面活性剂处理，耐介质性稍差；用三价铬盐对铝粉表面进行包覆处理，耐介质性较好；用聚合物对铝粉表面进行包覆处理；用二氧化硅与表面活性剂对铝粉表面进行包覆处理。本文对铝粉的耐高温贮存性进行了初步筛选。将水、助溶剂、水性铝粉制成铝粉浆， 贮存条件是60℃×7d，然后与未高温贮存的铝粉浆一起制板，检测L（白度）值的变化。测试结果见表3。
表3中SW-120BC和WXM7640是磷酸酯包膜的水性铝粉，其他均是二氧化硅包膜的水性铝粉。总体来看，二氧化硅包膜的水性铝粉高温贮存性要优于磷酸酯包膜的水性铝粉；不同厂家的不同牌号的水性铝粉也有性能差别。
表3 水性铝粉浆高温贮存的性能指标
Table 3 The performance index of waterborne aluminum paste after high temperature storage
涂料用珠光粉是在天然云母片上包覆不同种类和厚度的金属氧化物，在水中的稳定性都很好，所以水性金属闪光漆可以直接沿用溶剂型涂料用珠光粉。
2.3 流变助剂的选择及铝粉的排列
水性流变助剂在水性金属闪光漆中对金属颜料的防沉和定向排列，以及防止花斑有重要的作用。本试验发现，当施工时的体系触变值（TI）>3.5时，喷涂施工时，铝粉在湿膜中不会发生漂移、翻转，如表4所示通过体系的收缩和蜡的定向作用， 铝粉得到很好的排列，使金属闪光底漆有很好的外观。
表4 不同触变值对铝粉排列的影响
Table 4 The effects of different TI-value on the Al-orientation
BYK 8421对效应颜料有较好的锚固作用，并有上浮到表面的倾向，带着铝粉到同一个平面上，同时具有铝粉定向和防沉作用；另外，湿膜的动态表面张力需要略低于底材的表面张力，这样漆膜对底材才会有很好的润湿效果，形成连续稳定的漆膜。将几种不同类型的流变剂配合使用，对效应颜料的排列效果要优于单独使用某种流变剂。
2.4 施工工艺
水性聚氨酯金属闪光底色漆的施工方式可以沿用溶剂型底色漆的施工方式，一般选用空气喷枪，喷涂3~4道，可添加10%~20%的稀释剂，调整到合适的施工黏度。由于水性底色漆的自干主要靠水的挥发，而水的挥发速度既与温度有关，又与湿度有关，所以可以根据不同的温湿度，在喷涂现场配备不同的稀释剂。 图2是不同温湿度下的稀释剂选择图。
图2 不同温湿度下的稀释剂选择图
Picture 2 The diluent selection chart at different temperature and humidity
由图2可见：可根据实际环境温湿度来选择不同的稀释剂。其中，标准稀释剂可以是100%的去离子水；快干稀释剂可以在去离子水中加入2%的快干溶剂，如丙酮 ；慢干稀释剂可以在去离子水中添加2%~6%的慢干溶剂。试验结果表明，底色漆层的溶剂含量 （主要为水） 应降低到10%以下， 喷涂的罩光漆才不致于将底色漆层再溶起和产生水泡，从而影响外观质量〔2〕。所以在喷涂罩光清漆之前应该让水性底色漆尽量脱水。
3、结语
水性聚氨酯金属闪光底色漆在我国现有的城市公交车上已经得到大量的应用，并深受施工人员的好评。这是因为相对于溶剂型金属闪光底色漆而言，水性聚氨酯底色漆可以湿喷，不易产生发花和花斑，遮盖力好，易修补；另外，水性聚氨酯底色漆气味小，又环保，减少了60%的VOC（挥发性有机化合物）排放，所以水性聚氨酯金属闪光底色漆的应用范围会越来越广。
参考文献：
1.Wissling P. State-of-the-Art Technology in Aluminium Pigments for Aqueous Paints〔J〕. Surface Coatings International，1999 （07） ：335-339.
2.沈业文，肖亚平.汽车水性金属闪光漆的研究及发展〔J〕.化工时刊， 2008， 22 （11）：56-59.
文章发表于《上海涂料》2014年8月第52卷第8期
(0)
