陈以满、陈钊聪、钱程
（南京长江涂料有限公司，南京210047）
摘要：选用D3307、5088两款水性聚氨酯改性醇酸分散体为主要成膜物质，通过防锈颜填料及助剂的筛选，成功制备了涂装VOC≤10 g/L、硬度F、耐水≥14 d、耐盐雾≥500 h的高性能水性聚氨酯改性醇酸底面合一漆。随后，对树脂构成、防锈颜填料选用、催干剂等助剂类型的选择，对产品稳定性及防腐性的影响进行了简要探讨。该类底面合一漆具有较高的初期硬度建立和耐防腐性能，适用于一般至中等腐蚀环境下金属基材的装饰与防护。
关键词：超低VOC；底面合一漆；水性聚氨酯改性醇酸；耐盐雾
0 引言
随着国内工业污染和环境破坏的日益严重，我国对减少和控制涂料中的VOC的排放日益重视，当前国家相关部门已经陆续出台了环境保护及VOC减排相关政策，来引导涂料生产及涂装企业，向水性化、高固体分、无溶剂等环境友好产品方向发展。目前，已有多省市颁布 VOC消费税法规，涂装环保化的要求势在必行。水性涂料因其低毒、环保和安全等优异性能已成为国内外涂料研究的热点[1-3]。
到目前为止，醇酸涂料仍然是国内用量最大、生产最多的一类涂料。但醇酸涂料干燥时，会有大量的溶剂挥发，不仅严重影响周边环境和居民身体健康，也会造成极大的资源浪费。因此，为了缓减环保压力，响应国家的节能减排政策，减少VOC的排放逐渐成为新的醇酸涂料发展方向。其中将醇酸树脂水性化是当前的主流发展技术，近年来，人们相继开发了水性醇酸树脂、水性丙烯酸改性醇酸树脂、醇酸乳液等，但这些技术都有一定的局限性。水性醇酸树脂虽然水分散稳定，但是涂膜干燥速度慢，耐水性差而难以推广；水性丙烯酸改性醇酸树脂性能较好，但早期硬度和防腐蚀性不如水性聚氨酯改性醇酸分散体 [4-6]。
本文通过对两款市售水性聚氨酯改性醇酸分散体开展了详细的制漆性能研究，并简要探讨了树脂结构体系、分散剂、催干剂、防锈颜填料等对产品性能及稳定性的影响。最终获得了一款涂膜性能优、超低VOC排放的水性聚氨酯改性醇酸底面合一漆，该产品可适用于铁路货车、机械设备、大型钢结构、小型电机外壳等方面，市场前景优良。
1 实验部分
1.1 主要原材料与设备
水性聚氨酯改性醇酸分散体5088，国产，固体份50±2%；水性聚氨酯改性醇酸分散体D3307，国产，固体份50±2%；水性丙烯酸改性醇酸分散体340，国产，固体份45±2%；二丙二醇甲醚，伊士曼陶氏；U炭黑，德固赛；绢云母，安徽格瑞；磷酸锌、三聚磷酸铝，广西新晶；4940N，湛新公司；防闪锈剂（X150），彭畔化工；分散剂，毕克化学；增稠剂，海明斯；基材润湿剂（BYK-346）、流平剂（TEGO-450）、消泡剂（TEGO-904W），迪高；pH调节剂，陶氏化学；杀菌剂（LXE），陶氏化学；去离子水，自制。
盐雾腐蚀试验箱，CW专业设备有限公司；FLB28高速分散机，江阴精细化工机械有限公司；漆膜冲击器，中国天津材料试验机厂；QXP ISO 刮板细度计，上海垒固仪器有限公司； SK-3砂磨机，江阴精细化工机械有限公司。
1.2 水性醇酸底面合一漆的制备
加入配方量的助溶剂对水性聚氨酯改性醇酸分散体（5088或D3307或340）进行稀释，搅拌15min。依次加入少量pH调节剂和去离子水，2000 r/min搅拌30 min。随后加入颜填料混合搅拌均匀，转入砂磨设备，研磨至浆料细度≤ 30 μm。然后，依次加入研磨好的树脂浆料、树脂分散体、催干剂、助剂等，1500 r/min搅拌30 min，最后调整粘度至70-90KU，绢丝布过滤，得到水性醇酸底面合一漆。
根据5088、D3307、340体系，分别制备不同树脂体系的灰色底面合一水性防腐漆。表1列出了不同结构改性的水性醇酸底面合一漆的具体配方。
表1 水性醇酸底面合一漆配方
1.3 产品主要性能指标
根据HG/T 4748-2015水性醇酸树脂涂料行业标准的要求，制备水性醇酸底面合一漆样板。其中，耐介质性能样板均涂装两道，总干膜厚度为45±5 μm，样板室温养护7d后进行性能测试。表2列出了产品的主要性能测试结果及检测方法。
表2 水性醇酸底面合一漆的主要性能指标
备注：（1）1级代表最好，5级最差。
2 结果与讨论
2.1 不同树脂体系对涂膜性能的影响
本文研究以水性醇酸树脂为成膜载体，通过选取水性芳香族聚氨酯改性醇酸体系、水性脂肪族聚氨酯改性醇酸体系、水性丙烯酸改性醇酸体系作为对比实验。
通过表2可以看出，单组份水性丙烯酸改性醇酸底面合一漆，虽然干性较快，但在防闪蚀处耐机油性、耐盐雾性能、后期硬度方面较差；没有经过改性的醇酸底面合一漆虽然性能较好，但自身偏软，硬度和干性较差，不适合大规模的线下涂装设备要求。经过聚氨酯改性的水性醇酸底面合一漆，具有高光泽、干燥速度快、高硬度、耐水性等方面的优点，结合对底材优异的润湿、附着力、耐腐蚀性能，各项指标均较好，贴合了目前市场的需求。但5088由于其是芳香族结构改性，在长时间光照下相对脂肪族保色性差，最后我们通过对比实验，针对性的筛选合适的改性醇酸分散体D3307，它在干性、硬度、保光保色性、防腐性能达到了均衡。因此本研究最终选择了水性脂肪族聚氨酯改性醇酸分散体（面漆D3307）进行制备与研究。
2.2分散剂的选择
水性工业漆中，分散剂加入量虽然较少，但起着决定性的作用。在醇酸体系的存储过程中，由于酯键的存在容易导致水解，从而导致稳定性下降，出现分层胶冻等现象，所以分散剂的选择显得尤为重要。不同的分散剂对颜填料的润湿、稳定和降粘效果有较大差异,一般而言，高分子量的分散剂对颜料的应用性能有较为明显的改善作用，降低了后续颜料粒子的絮凝，提高了漆液的存储稳定性。
本文通过大量实验筛选对比如TEGO-760W，BYK-194等分散剂，包括其色浆的存储稳定性等，最终选用性价比较高的BYK-190作为分散剂，考察其用量对研磨时间和性能的影响，见表3。
表3不同比例分散剂的用量对研磨效率时间和性能的影响
通过表3可以看出，BYK-190用量低于1%时，研磨效率较低，不利于车间的生产，当分散剂用量较高时，会影响涂层的耐水性，因此综合研磨效率、耐水性、成本考虑，当BYK-190用量为1%时，较为合适。
2.3催干剂的选择
催干剂是氧化交联体系中一种重要的助剂，尤其是在水性体系中，可提高漆膜的干性和交联密度，用量虽少，但效果非常显著。传统的催干剂，如，锰、铅、铬等，已不适用于当今的环保压力下。我们通过大量实验对比发现，前添加的催干剂如OMG的OS123催干剂或421催干剂，价格便宜，但需要充分搅拌均匀，搅拌不均匀容易导致颗粒，影响产品品质。当前湛新公司推出的一款催干剂4940N非常适合后添加且相容性极好，用量较少，性能稳定，适用于水性聚氨酯改性醇酸底面合一漆的制备。
2.4防锈颜填料的选择及加入量对涂膜性能的影响
在环保形势日益严峻的今天，传统的防锈颜料如红丹、铬酸锶等已不适用，因此选用环境友好型防锈颜料非常有必要。本文采用绢云母、三聚磷酸铝、磷酸锌为颜填料体系搭配，进行水性聚氨酯底面合一漆的制备。绢云母为物理防锈颜料，能够提供物理屏蔽和致密度，减少涂层的起泡，三聚磷酸铝、磷酸锌具有较好的稳定性能够与铁离子进行钝化，形成致密层。经过实验小试相同颜基比下，不同防锈颜填料的加入量对涂膜耐盐雾性能的影响，见表4。
表4不同防锈颜填料的加入量对涂膜的耐盐雾性能的影响
由表4可知，磷酸锌和三聚磷酸铝的添加量为10%时，既有良好的防锈效果，添加过多，因其吸油量较大的原因，导致涂层致密性变差，性能提高不明显，同时会导致成本的上升，性价比较低。
2.5其它助剂对漆膜涂层性能的影响
除了树脂体系、分散剂、催干剂、颜填料等选择外，助剂的作用也不容忽视。对于本文所选择的聚氨酯改性醇酸分散体D3307，添加毕克BYK-024搭配TEGO-904W可获得良好的消泡效果。在增稠剂方面，选用适量的聚氨酯缔合型增稠剂，如海明斯299，所得涂层的耐水性要明显优于碱溶胀型丙烯酸酯增稠剂体系如万华的A401。另外，在闪锈剂方面，选用彭畔化工的X150对初期闪锈的帮助较为明显。
根据实验结果，我们发现可通过添加一定量的缓蚀剂，提高水性聚氨酯改性醇酸底面合一漆的闪锈、后期返锈和耐盐雾性能，保证在恶劣环境中的防腐蚀性能，添加1-3%的1000缓蚀剂可有效提高。
2.6与水稀释型醇酸体系产品VOC对比
以水性聚氨酯改性醇酸分散体所制备的底面合一漆和市售水溶性醇酸底面合一漆VOC对比，见下表。
表5水性聚氨酯改性醇酸底面合一漆与水溶性醇酸底面合一漆VOC含量对比
通过表5可知，水性聚氨酯改性醇酸分散体所制备的底面合一漆，大大减少了VOC含量的排放，满足当前环保形势下的开发要求，符合环境保护标志产品要求。
3 结语
本文选取了水性芳香族聚氨酯改性醇酸分散体、水性脂肪族聚氨酯改性醇酸分散体、水性丙烯酸改性醇酸分散体来制备底面合一漆及市售水溶性醇酸底面合一漆作为对比参照，就水性醇酸底面合一漆进行制备与性能研究。所得结论如下：
（1）综合对比水性丙烯酸改性醇酸分散体和芳香族聚氨酯改性醇酸分散体，该款水性脂肪族聚氨酯改性的醇酸分散体，兼具了丙烯酸的初期干性和硬度，优异的附着力、耐机油、耐盐雾性能及保光保色性，综合性能最佳，可与双组分水性聚氨酯面漆相媲美。
（2）配方中以水性脂肪族聚氨酯改性醇酸分散体为主体，选用环保型的三聚磷酸铝和改性磷酸锌作为防锈颜料，BYK-190作为润湿分散剂，4940N为催干剂，搭配其它助剂得到存储稳定性更好的水性醇酸底面合一漆。
（3）VOC排放方面，水性脂肪族聚氨酯改性醇酸分散体所制产品VOC含量极低。与之相比，水溶性醇酸底面合一漆，涂装VOC高达200g/L以上，环保性差，必将逐步被越来越严格的市场所淘汰。
综上，本文通过使用水性脂肪族聚氨酯改性醇酸分散体获得了综合性能优异的水性底面合一涂料。其中，硬度可达F，耐盐雾性大于500 h，耐机油性大于48h，涂装VOC低于10 g/L，对中等腐蚀环境下的金属基材的防护有显著的提升，市场前景优良。
参考文献
[1] 陈钊聪，陈以满，刘保磊. 高性能水性聚偏氯乙烯防腐底漆的研制[J]. 中国涂料, 2017，32(9): 40-43.
[2] 易世明, 郑齐, 刘占川, 刘艳菲, 不同分散剂在水性醇酸漆中的适用实验[J]. 涂料技术与文摘, 2017, 38(3): 29-33.
[3] 侯佩民, 刘福长, 柳问林, 徐元浩, 快干醇酸乳液的合成及其性能研究[J]. 中国涂料, 2018，33(1): 57-60.
[4] 许奕祥, 相勇捷, 杨雪洪, 谢唯, 张红, 禹汉文, 张玉国, 扶梯专用底面合一漆[J]. 涂料工业, 2016, 1(1): 14-18.
[5] 霍春会, 刘宪文, 夏克龙, 薛丹, 重卡车桥用水性环氧酯底面合一防腐涂料的制备[J]. 涂料技术与文摘, 2016, 37(6): 35-38.
[6] 陈钊聪, 宗志清, 高装饰型底面合一金属烤漆的制备与性能研究[J]. 涂料技术与文摘, 2017, 38(3): 6-10.
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