方 岸1， 李梦杰2
（1.清远雅克化工有限公司，广东 清远 511540；2.广东誉测检测技术有限公司，广东 清远 511540）
摘要：传统溶剂型汽车漆体系中，底色漆VOC排放高达80%，为满足新的环保要求，结合现有溶剂型技术现状及国外成功经验，底色漆转水性体系已成必然。分析各类水性树脂的特点，考虑汽车底色漆的综合性能要求，水性聚氨酯分散体是最佳选择。结合汽车底色漆性能要求，开发了聚氨酯分散体YWD1000，并用该分散体通过配方优化制备水性银粉漆，该水性银粉漆及整套水性无酯色浆体系，搭配YZ-H738 配制的高固低黏2K中涂底漆，YZ-H886 配制的能满足VOC排放小于420 g/L的高固低黏清漆，实现了综合性能完全达到溶剂型标准、环保要求也合规的汽车漆体系。
关键词：聚氨酯分散体；1K底色漆；VOC排放；高固低黏
传统溶剂型涂料中溶剂的挥发是继汽车尾气排放及烟雾漂尘之后的第三大空气污染源，是PM2.5的主要来源之一。在传统汽车修补漆体系中，金属闪光底色漆中含有80%的有机溶剂，是汽车涂装工业VOC排放的最主要来源之一。如果将其水性化，可使单位涂装面积的有机溶剂排放量降低70%左右。从国外汽车修补漆行业的发展趋势来看，为了降低修补漆对环境和喷涂工人的伤害，水性漆已得到了普遍应用。本文结合汽车底色漆性能要求，开发了一种聚氨酯分散体YWD1000，并用该分散体通过配方优化制备了一款水性银粉漆，搭配水性无酯色浆体系，具有优异的施工性、附着力及耐水性，能完美地取代传统的溶剂型1K底色漆。
1 试验部分
1.1 试验原料
异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI），德国进口；聚酯二元醇，自制；聚碳酸酯二元醇，日本进口；二羟甲基丙酸 （DMPA），美国进口；1，4-丁二醇（BDO），国产；二甲基乙醇胺（DMEA），美国进口；三乙醇胺（TEA）、乙二胺（EDA），国产；去离子水，自制。
水性铝银浆、定向蜡、水性润湿剂、流平剂、消泡剂，德国进口；聚氨酯增稠剂、助溶剂，国产；YWD1000水性聚氨酯分散体、YZ- H738 75%固体分羟基丙烯酸树脂、YZ-H886 80%固体分羟基丙烯酸树脂，清远雅克化工有限公司。
1.2 主要仪器和设备
1.3 树脂合成
1.3.1 树脂合成参考配方
树脂合成参考配方见表1。
1.3.2 树脂合成工艺
在装有温度计、冷凝管和搅拌装置的四口瓶中，加入聚酯二元醇，升温到110 ℃真空脱水1 h后，降温到60 ℃以下，加入BOD、DMPA、BOD及IDPI，开搅拌，升温到75 ～ 80 ℃，恒温 4 ～ 5 h，测试—NCO含量达到理论值后，降温到60 ℃以下，加入中和剂DMEA，分散30 min，测试 pH达到设计值后，高速分散加去离子水，加完保持高速分散15 ～ 20 min，然后保持温度40 ℃以下，加入扩链剂，恒温反应30 min后降温过滤出料。
1.4 涂料制备
1.4.1 水性1K底色漆参考配方
水性1K金属底色漆参考配方见表２。
1.4.2 水性1K底色漆制漆工艺
在分散缸中投入配方量的YWD1000、部分去离子水、水性润湿剂、流平剂、消泡剂，中速搅拌5 min，加入定向蜡，高速分散10 min，测试pH低于7.5则需要补加中和剂DMEA，补加后分散调节pH在8左右，再中速分散加入已经用助溶剂泡好的50%水性铝银浆，加完后补齐剩余去离子水，中速分散15 ～ 20 min，停止搅拌出料。
1.4.3 环保型车用涂料施工工艺
电泳底板或环氧底漆板（需要打磨）→喷YZ-H738配制的环保2K中涂底漆→低温烘干30 ～ 60 min→喷涂YWD1000配制好的水性1K底色漆→室温或低温烘干5 ～ 10 min→喷涂YZ-H886配制高固低黏罩光清漆，室温闪干5 ～ 10 min后 60 ～ 80 ℃烘干30 ～ 60 min（或者室温自干12 h以上）。
1.5环保型车用涂料性能指标
环保型车用涂料性能指标见表３。
2 分析与讨论
2.1 聚氨酯分散体（PUD）的合成与讨论
2.1.1 聚合二元醇对PUD 性能的影响
通常适合于PUD合成的聚合二元醇有聚酯二元醇、聚醚二元醇、聚碳酸酯二元醇、聚己类酯二元醇等。本研究考虑到聚酯中间体配方的灵活性，聚酯中间体制备的PUD 稳定性好，硬度、柔韧性、耐冲击性及银粉排列、展色等可以通过聚酯二元醇的结构进行优化，因此自制聚酯中间体合成PUD达到了比较好的性能平衡。
2.1.2 羧基含量对PUD性能的影响
PUD的水分散性通常由聚合物链中羧基与中和剂合成的羧酸胺提供，合成时通常采用加入二羟甲基丙酸（DMPA）或者二羟甲基丁酸（DMBA）单体来引入羧基，本研究选用DMPA，在保持其他条件不变情况下，调整DMPA用量，制备了一系列PUD，通过试验对比PUD的黏度、稳定性、粒径、硬度及涂膜综合性能，发现随着DMPA 用量的增加，PUD 的平均粒径变小，其外观逐步由乳白色变为半透明至透明，稳定性也逐步增加，但是黏度会增加，施工加水量变大，涂膜耐水性等也逐步下降。综合考虑，最终确定DMPA含量在2％ ～ 3%时效果最佳。
2.1.3 n（—NCO） ∶ n（—OH）对PUD状态及性能的影响
PUD分子量大小除与二元醇分子量有直接关系，还与配方的n（—NCO） ∶ n（—OH ）有关，n（—NCO） ∶ n（—OH）越大，—NCO过量越多，封端越早，分子量越小，越容易分散在水中，无需添加助溶剂，溶解性相对较差，粒径大，稳定性差，同时—NCO含量越高，氨酯键越多，硬度越高。反之，n（—NCO） ∶ n（—OH）越小，—NCO过量越少，分子量越大，难以直接分散于水中，需要补加较多助溶剂协助分散，分散体粒径小，透明度及稳定性好，但是—NCO含量低，反应形成的氨酯键少，硬度更低，柔韧性更好。本试验在其他条件不变的情况下，调整n（—NCO） ∶ n（—OH）为1.0 ∶ 1.1至1.0 ∶ 1.5进行试验，通过观察PUD外观，测试PUD 1K底色漆性能，筛选出最佳比例为1.0 ∶ （1.2 ～ 1.3）。
2.2 YWD1000制备车用1K底色漆的分析与讨论
2.2.1 pH对1K底色漆状态及性能的影响
通过对比试验，用YWD1000制备1K银粉漆，pH调整到8以上，底色漆出边较大，流动性差，施工流平性差，通过试验确定选择DMEA中和剂，pH调整到7.0 ～ 7.5，色漆效果状态最佳。
2.2.2 流变助剂对1K底色漆状态及性能的影响
水性银粉漆制备中，流变助剂的选择对银粉漆的排列、防沉等都有较大的影响，本试验对比了聚氨酯流变助剂和水性EVA 流变助剂，通过试验发现聚氨酯类流变剂对PUD 银粉漆增稠效果不明显，起不到很好的防沉效果。
通过水性 EVA流变助剂添加量的调整，能够控制银粉黏度，达到很好的防沉效果，喷涂后能较好地控制铝粉在湿膜状态时的排列，不容易发黑发花。
2.3 环保型车用涂层性能结果
按涂料配套体系及施工工艺制备涂膜，性能检测结果见表4。
3 结语
本研究结合车用涂料底色漆性能需求，先设计开发了一种聚酯二元醇，选用IPDI作为硬段，添加DMPA引入羧基，并且优化用量，确定DMPA 添加量为2％ ～ 3%时效果最佳，通过PUD状态、稳定性及性能评估，确定配方中n（—NCO） ∶ n（—OH）为 1.0 ：（1.2 ～ 1.3），经过多次试验，合成了一种粒径为20 ～ 30 nm的半透明状态PUD，商品名 YWD1000，通过配方中水性中和剂、消泡剂、流变助剂及铝银浆的筛选，用YWD1000制备了一款性能优异的水性银粉漆，该水性银粉漆搭配雅克化工推出的YZ-H738高固低黏2K中涂底漆、YZ-H886超高固低黏清漆，能完美解决VOC 问题，同时性能可媲美目前市场销售的常规溶剂型涂料体系。
详情见《现代涂料与涂装》2019-12
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