双组分水性聚氨酯涂料涂膜缩孔的研究

data-full-width-responsive="true"> 双组分水性聚氨酯涂料涂膜缩孔的研究刘长春1，魏瑞金1，吴春莹2，黄春辉3，李会宁* 2，曹德榕1 ( 1． 华南理工大学化学与化工学院，广州510641; 2． 肇庆千江高新材料科技股份公司，广东肇庆526238;3． 广东南车轨道交通车辆有限公司，广东江门529100)双组分聚氨酯涂料以其优异的性能备受使用者喜爱，但在应用过程中，由于受环境因素、涂装工艺或者涂料本身的影响，其涂膜表面会产生各种弊病。涂膜缩孔就是最常见的一种，它不但影响美观，而且影响涂膜的使用性能、缩短材料的使用寿命。研究涂膜产生缩孔的原因及影响因素，能为解决其他涂膜弊病如针孔、气泡等提供良好的思路和研究基础。本研究将缩孔机理与配方设计、助剂使用、施工过程及涂装工艺相结合，系统地研究了双组分水性聚氨酯涂料的涂膜缩孔行为及其影响因素，并提出了有效解决方法，为制备优良的双组分水性聚氨酯涂膜提供有益的参考。1 实验部分1 1 主要原材料羟基丙烯酸树脂水分散体: 自制; 铬黄颜料L1835S(即Sicomin Yellow L1835S):BASF;DPP 大红颜料D3B(即Hostaperm D3B VP2615):科莱恩;消泡剂Foamex 822、Foamex 855:迪高;流平剂BYK － 333:毕克化学; 基材润湿剂Wet 240: 迪高; 固化剂XP2655:科思创。基材:40 cm 50 cm 1 cm 的铝合金板，涂覆膜厚为(50 5)m 的水性环氧底漆和膜厚为(55 5)m 的水性中涂漆。1 2 涂料配方及制备按表1 所示的配方制备双组分水性聚氨酯涂料。制备过程:依次将1 ～ 4 按顺序加入搅拌容器中分散，搅拌速度300 ～ 400 r /min，分散10 min;加入5，并将搅拌速度调至2 000 ～ 2 200 r /min，分散40 ～50 min;加入6，低速(300 ～ 400 r /min) 分散5 min;封闭容器，放置于阴凉干燥处储存，组分A 制备完成。待组分A 中的气泡消失后，加入组分B 分散，搅拌速度200 r /min，分散5 min，并加入适量水稀释至施工黏度，200 目滤布过滤，喷涂。涂膜放置于25℃、湿度50%的恒温恒湿房中干燥，养护7 d 测试性能。1 3 性能测试及表面效果判定标准按GB/T 17231993 测定涂料的黏度( 涂－ 4杯黏度)，在25 ℃下测定;按GB/T 97542007 测定涂膜光泽;按GB/T 13452 22008 测定涂膜厚度，涂膜实干厚度为(40 5) m。缩孔定级:1没有缩孔，5遮盖力定级:1好，4丰满度定级:1好，3较差。2 结果与讨论2 1 涂膜缩孔形成的机理涂膜缩孔的形成与表面张力的大小存在密切联系，具体关系可以用杨氏公式［如式(1)］表示。S = (rw － r1) － rL 式(1)式(1)中，Srw缩孔施体的表面张力;rL缩孔受体的表面张力，r1缩孔受体与缩孔施体(固/液)之间的界面张力;( rw － r1) 可表示缩孔施体表面润湿张力。当S ＞ 0 时，即(rw － r1) ＞ rL，涂料液体表面张力小于基材表面润湿张力，此时涂料喷涂在基材表面后会使体系的表面能下降，涂料即使无外力也能自发布展。也就是说，只要涂料量足够，并且涂料布展时间够长，最终涂膜会十分光滑平整，不会产生缩孔;当S =0 时，涂料液体表面张力与基材表面润湿张力相等，涂料喷涂后不会再布展或者回缩，所以只要喷涂后的涂膜光滑平整，也就不会产生缩孔;当S ＜0 时，即涂料液体表面张力大于基材表面润湿张力，此时涂料喷涂在基材表面后将增加体系的表面能，为了顺应能量趋向最小的规律，涂膜势必要回缩而产生缩孔。杨氏公式表明基材表面润湿张力小于涂料表面张力会导致涂膜缩孔。另一方面，涂料体系内部若存在表面张力差，则会导致成膜过程中低表面张力的组分向高表面张力组分迁移，也会形成缩孔。其迁移形成缩孔期间的涂料流量q 和缩孔的深度dc的关系如式(2)和式(3)所示。式(2)和式(3)中:q涂料内部组分迁移而导致形成缩孔期间的涂料流量;d涂料黏度;△涂料表面张力差;dc涂料密度;g重力加速度。以上关系式表明:在相同的膜厚和表面张力差的前提下，q 与 成反比，即涂料黏度越低，而且低黏度流体存在的时间越长，涂料流平越好，涂膜缩孔现象会有一定的减弱。此外，在相同的涂料密度和表面张力差的前提下，dc与d 成反比关系，涂膜在表层涂料被周围的高表面张力液滴拉开后，下层涂料涌上弥补，缩孔深度变浅，也就是涂膜越厚，缩孔的深度越浅。而在相同的涂料密度和涂膜厚度的前提下，q 及dc都与涂料表面张力差△ 成正比，即涂料表面张力差△ 越大，迁移形成缩孔期间的涂料流量也就越大，缩孔的深度也就越深，涂膜缩孔程度就越严重。对于基材而言，表面张力都比较小。但是水性涂料的表面张力相对较大。喷涂后，涂料表面张力远远大于基材润湿张力，容易导致涂液回缩，出现缩孔。要解决水性涂料表面张力大的问题，一方面可以减少涂料体系中各成分的表面张力，另一方面可以通过加入一些表面活性剂来降低涂料表面张力。但是加入的表面活性剂如果与体系的相容性不佳，会出现涂料分散不均的情况，容易使涂料体系内部表面张力差增大。根据前述分析可知，涂料体系内部表面张力差越大，缩孔越容易形成。因此，在加入助剂时，需要考虑其与体系的相容性。2 2 施工黏度的影响施工黏度是影响涂料喷涂的一个重要因素。实验中，通过加入水的量来控制施工黏度。实验考察了不同施工黏度对涂膜缩孔程度及遮盖力的影响，如表2 所示。从表2 可以看出，当施工黏度为26 ～ 28 s 时，涂膜表面效果最佳，黏度低于24 s 时涂料产生流挂等弊病，同时遮盖力变差，黏度高于30 s 时涂膜不易流平，产生缩孔。