水性聚酯樹脂在水性塑膠漆的最新應用

    慧聰化工網訊：塗料主要由樹脂提供主要性能，經過多年的發展，水性樹脂也逐步跟上了溶劑型樹脂的步伐，甚至在某些領域超過了溶劑型樹脂；而且從環保角度來衡量，溶劑型樹脂是無法跟水性樹脂進行比較的。特別是國內今年出臺了對VOC超標的塗料產品關於徵收「消費稅」的法律，這進一步限制了溶劑型塗料的發展。隨著生活水平的日漸提高，居民對環境及健康日益重視，在水性樹脂已有極大進步的前提下，水性塗料也得到了越來越大的推廣及運用，施工工藝也得到了很大的提高。俗話說：三分油漆，七分靠施工。說的就是用再好的樹脂做的塗料，如果沒有很好的施工工藝，也是體現不出塗料性能的優越性。在今日塗裝行業水性化大得民心的前提下，對水性塗料的工藝磨合也日趨完善，這進一步推動了水性塗料在各個塗裝行業的推廣及普及。

    在工業塗裝領域，目前仍是溶劑型塗料一統天下，水性塗料還只佔很小的比例。因此，提高塗料特別是工業塗料的水性化比例，減少塗料對環境的汙染和施工人員的身體危害，已成為我國塗料行業共同面臨的課題。目前國內水性工業塗料的研發水平與國外相比還有一定的差距，作為研發人員，我們的任務是使水性工業塗料在成本和性能兩方面都能達到與溶劑型塗料相同或接近的水平。

    隨著社會發展和科技進步，塑料製品已廣泛用於汽車、家電辦公設備、電子通訊及醫療器械等行業，成為工業、民用及高新技術不可缺少的材料。近年來人們環保意識不斷加強，各國對VOC的排放相繼制定了環保法規，旨在鼓勵推廣使用綠色環保、節能減排的新產品。應用於計算機、通信和消費類電子產品，3C產品領域和汽車內飾及配件的塑料塗料產量很大，其水性化呼聲也最高。早在20世紀80年代末90年代初，歐美等發達國家就已經開展了水性塑料塗料的研究開發工作，迄今已有大量專利。國內，大約10年前開始水性塑料塗料的開發，於近幾年實現商品化並成功用於汽車塑料內飾製品和配件及一些3C產品上得到塗裝應用。目前，市場上用於塑料製品的水性塗料同品種和水性木器塗料類似，主要為丙烯酸酯乳液型、水性單組分聚氨酯型和水性雙組分聚氨酯型，此外還包括一些UV固化產品。

技術圖片

    1 分析

    目前水性塑膠漆用樹脂主要還是以丙烯酸乳液為主，從乳液的合成方法及本身的結構特性來看，其實是在很多方面是限制了其在水性塑膠漆中的運用：一.乳液粒徑大，導致漆膜透明性及光澤不高，只能做半光或全啞漆。二.塑膠漆很多時候都要求較高的硬度，所以很多丙烯酸乳液都把Tg(玻璃化溫度)設置的很高來使漆膜達到較高的硬度，但是Tg過高，需添加一定量的成膜助劑（基本都是高沸點溶劑），揮發慢，易發粘，塗裝後的成品件包裝易粘紙。三.冬夏季節均帶來施工難題：夏天溫度高，噴塗的時候，因高Tg的丙烯酸乳液揮發速度快，在高溫的車間作業時，經常導致霧化的漆液還未到達素材時就已經乾燥，乾燥後的漆液落在待塗裝的素材上就是顆粒；而冬天溫度低，特別是北方地區，需添加大量成膜助劑，否則漆膜粉化開裂，而大量成膜助劑又易引起實幹慢，包裝粘紙。而且乳液在溫度低於5℃或以下時是停止作業的，影響生產效率。而另一體系水性聚氨酯因價格昂貴及耐化性不夠理想，也限制了其使用；同樣UV體系因其漆膜硬度高導致重塗性差也限制了其使用。而高分子量的水性飽和聚酯樹脂既擁有丙烯酸乳液的快速乾燥性，還擁有丙烯酸乳液所沒有的高光澤，而且高分子量水性聚酯樹脂作為水溶性樹脂，不需添加成膜助劑幫助成膜，這大大提高了生產的便利性及效率。所以我們應該在塑膠漆領域優先選擇高分子量的水溶性飽和聚酯樹脂。

    傳統塑膠漆經常採用「溼碰溼」工藝，即噴塗兩道漆，只烘烤一次，以達到快速生產，節省能耗的目的。在油性塑膠漆普遍採用「溼碰溼」工藝的前提下，為何水性塑膠漆遲遲未見身影呢？此困境在很大程度下阻撓了水性塑膠漆攻佔本屬於油性塑膠漆的領地。那是因為目前構成水性塑膠漆的主體樹脂在結構和性能上，達不到「溼碰溼」的要求，以丙烯酸乳液為例，由於結構的限制，丙烯酸乳液光澤差，雖然對水分擁有快速的揮發性，但更多時候受成膜助劑殘留在漆膜中的影響，影響乾性引起「咬底」（此現象在冬季更為明顯）。此難題時至今日，隨著高分子量的水性飽和聚酯樹脂的出現可以說已被攻破。下面我們就詳細介紹下高分子量的水性飽和聚酯樹脂如何突破本屬於油性漆的「禁地」：

    1.1實驗原料

    WP-850A南方樹脂、WA-370南方樹脂、BYK-028畢克、TEGO-270迪高、巴斯夫EFKANA-3772、氣體Surface-104E、BCS陶氏、東莞駿馳JCS-110銀漿、BYK-8421畢克、DMEA陶氏、自製去離子水、拜耳2487HDI固化劑。

    1.2實驗過程

    本工藝為「溼碰溼工藝」：先預噴一道單組分水性銀粉漆，閃幹3~5分鐘後，即可噴塗水性雙組份罩光清漆，然後60~70℃烘烤20~30分鐘即可。

    WP-850A參數 表 1

外觀

微透明液體

Tg(℃)

50

固含量（%）

37

粘度（25℃，mpas）

50~150

pH

6~7

羥值（mg KOH/g）

15~20

助溶劑

BCS

分子量

10000~15000

    WP-850A水性單組分銀粉漆 表 2

項目

用量/%

備註

水性銀漿JCS-110

8

東莞駿馳

BCS防白水

5

陶氏

WP-850A水性聚酯樹脂

80

南方樹脂

BYK-028消泡劑

0.2

畢克

TEGO-270底材潤溼劑

0.3

迪高

EFKANA3772流平劑

0.5

巴斯夫

去離子水

2.9

自製

BYK-8421銀粉定向劑

3

畢克

DMEA胺中和劑

0.1~0.2

陶氏

Total

100

 

    水性單組分銀粉漆製作流程：首先把水性銀漿用BCS浸泡備用，接著開始透明漆的製作，按照配方次序依次投入組料進行低速攪拌均勻，透明漆攪拌均勻後再加入之前浸泡好的銀漿。此投料過程中需注意以下幾個問題：①水性銀漿要先浸泡才能使用，浸泡後有助於銀漿的分散②DMEA添加要特別注意，它有提高塗料體系的粘度作用。③銀粉漆攪拌速度不宜過快及體系必須中性偏鹼，否則易引起銀漿發黑。

    水性單組份銀粉漆參數：PH:7.0~8.0，作業粘度15~17秒（NK2#）,表幹時間3~5min，VOC：110g/L,稀釋比例：1/0.2.

    配製完成後，我們先在ABS+PC素材上進行第一道水性銀粉漆塗裝，薄凃約10~15um(幹膜)，噴塗完成後靜置3~5min，再塗裝第二道水性丙烯酸聚氨酯金油，值得注意的是水性銀粉漆的塗裝工藝與溶劑型銀粉漆有一點區別：水性銀粉漆最佳噴塗方法應該是多道薄凃，大氣壓小流量。

    噴塗完水性單組分銀粉漆閃幹3~5分鐘後，我們需噴塗第二道水性雙組份丙烯酸聚氨酯清漆。

    WA-370參數 表 3

外觀

微黃透明液體

Tg(℃)

68

固含量（%）

50

粘度（25℃，mpas）

5000~8000

pH

7~8

羥值（mg KOH/g）

50

助溶劑

BCS

    WA-370水性丙烯酸聚氨酯雙組份清漆 表 4

A組分

B組分

項目

用量/%

備註

        拜耳2487 HDI固化劑

WA-370水性丙烯酸

65

南方樹脂

BYK-028消泡劑

0.3

畢克

TEGO-270底材潤溼劑

0.3

迪高

EFKANA3772流平劑

0.5

巴斯夫

Surface104E抑泡劑

0.2

美國氣體

去離子水

33.7

自製

DMEA

適量

陶氏

Total

100

 

    水性雙組份丙烯酸聚氨酯清漆製作流程：按照A組分中的塗料組分依次在攪拌條件下加到罐內，最後一步是測量塗料的PH值，用DMEA將塗料的PH控制在7.5~8.0之間。攪拌完成後即為A組分，而塗料的B組分則為拜耳公司的HDI固化劑2487,可提供優異的耐候性。配製此罩光清漆時應注意以下幾點：①A+B組分混合時應徹底攪拌均勻再使用，否則影響性能。②罩光清漆不宜一道塗裝過厚，否則會引起氣泡問題。③PH值對漆膜耐黃變性有很大影響，過高的PH值會引起漆膜泛黃，所以我們要控制在7.5~8.0之間。

    水性雙組份丙烯酸聚氨酯清漆參數：PH:7.5~8.0，作業粘度20~30秒（NK2#），VOC：102g/L,塗料稀釋比：A組分/B組分/去離子水=6/1/0.5.

    罩光清漆配製完成後，我們就可以在前面塗裝好的水性銀色底漆上塗裝罩光清漆，噴塗完成後，那兩凃一烤的「溼碰溼」塑膠漆就完成，餘下的工作就是在60~70℃*20~30min烘烤及檢測樣板性能。

    1.3檢測工具

    WGG-60通用型光澤儀，NK2#粘度杯，三菱鉛筆一套，DHG系列臺式鼓風乾燥箱，JECO-6173Ph計，百格刀，無水乙醇等。

    1.4檢測結果

    水性溼碰溼塑膠漆性能檢測 表 5

測試項目

測試結果

測試標準

外觀

平整光滑

GB/T1729-1979

幹膜厚度/um

25~30

GB/T13448-2005

光澤（60°）

>90

GB/9754-1988

附著力

0級

GB/9286-1998

硬度

>H

GB/T6739-1996

耐無水乙醇/1KG

>100次

NCCAII-18

    塗裝方式：噴塗，塗裝底材：ABS+PC，塗裝工藝：①底漆：WP-850A水性飽和聚酯樹脂單組分銀粉漆；②罩光清漆：水性雙組份丙烯酸聚氨酯清漆；烘烤條件：60~70℃*20~30min

    2 實驗結果與討論

    作為「溼碰溼」工藝最重要的環節就是底漆要有快速釋放溶劑或者水分的能力，否則塗裝面漆後就會「咬底」。所以作為高分子量的水性飽和聚酯樹脂WP-850A（分子量10000~15000）擁有不遜色於丙烯酸乳液的乾燥速度，而且光澤高，成膜性好，不需添加高沸點的慢幹溶劑幫助成膜，不影響包裝效率。另外WP-850A酸值低（酸值高的樹脂易引起銀粉發黑），不但可以作為銀粉漆的主體樹脂，而且快速的表乾性對銀粉的排列有很好的幫助，並有很好的水溶性，綜合性能非常突出。我們創新地將水性聚酯樹脂作為塑膠漆「溼碰溼」的底漆也是利用了水性聚酯樹脂柔韌性及附著力好等特點，可以幫助丙烯酸清漆有更好的附著力。我司另一罩光漆樹脂是屬於水性丙烯酸樹脂WA-370，搭配HDI異氰酸酯固化劑反應，有很好的硬度及光澤，而且耐候性也非常不錯。我們這款WA-370丙烯酸樹脂不但可以與異氰酸酯固化劑低溫反應，還可以常溫反應，漆膜不烘烤亦有很好的交聯效果，是一款與-NCO激烈而快速反應的水性高羥丙烯酸樹脂。綜上所述，我們設計這套「溼碰溼」塑膠漆搭配方案，一舉解決了水性塑膠漆之前遇到的「溼碰溼」困境，而且還有很好的彌補了之前丙烯酸乳液的缺陷：我們利用高分子量的水性聚酯樹脂作為「溼碰溼」底漆，就為我們突破「溼碰溼」難題奠定了基礎，因為「溼碰溼」工藝最重要的就是如何使底漆快速乾燥兼有一定的硬度及光澤，而水性高分子量的聚酯樹脂卻全部具備這樣的特性（丙烯酸乳液光澤普遍偏低），我們再搭配硬度及耐候性出色的水性丙烯酸就很好地解決了體系配套的問題，所以我們建議大家以後遇到塑膠漆有「溼碰溼」要求的時候，可以用「高分子量水性飽和聚酯樹脂底漆+水性丙烯酸樹脂面（清）漆」這種體系。

    3 總結

    工業塗料水性化也經歷了很多挫折，其中的原因無非就是水性樹脂的緩步不前，在水性塑膠漆領域主要還是以水性丙烯酸乳液作為塗料的主體樹脂，而水性丙烯酸乳液技術簡單，生產門檻低，市面上出現了良莠不齊的產品，這就造成了市面上出現了很多性能不夠出色的水性塑膠漆，這進一步影響了水性塑膠漆在大家中的地位和形象，直接導致大家不敢接受及推廣水性塑膠漆。時至今日，南方樹脂公司針對市場需求開發出了性能優異的高分子量水性飽和聚酯樹脂及水性丙烯酸樹脂，基本上囊括了市面上各種對塑膠漆的性能需求，還一舉突破了之前水性塑膠漆遇到的「溼碰溼」困境。今年起國家也通過立法等形式來支持我們發展水性化，我們應該抓住這大好機會實現「油轉水」。在我們突破水性樹脂方面的技術難題後，應該在塗裝工藝上與塗裝廠家大力磨合，早日使我們的水性化不但在性能上與溶劑型產品一樣，在施工工藝上也同樣媲美溶劑型產品。我們的生活環境已經是越來越惡劣，需要我們大家伸出手來，發展綠色環保的水性產品，不但是為了我們自己，也是為了我們子孫後代。

責任編輯：黃菊軍