水性金属闪光涂料的研究进展

data-full-width-responsive="true"> 0 前 言汽车涂料由于其高外观性以及高性能的要求，一直被认为是一个国家涂料工业发展水平的象征。汽车涂料的发展，从最初的防护性、耐候性，发展到后来的高外观性、抗划伤等，到现在又提出了环保性、个性化等需求，消费者不断提高的性能和外观要求，一步步地刺激着汽车涂料业的发展，对树脂供应商和涂料供应商的技术发展起到了很大的推动作用。汽车闪光涂料的发展，是汽车涂料界的一大创举，从最初的鱼鳞和铜粉到现在各种色彩包覆的珠光粉，彻底改变了传统汽车涂料颜色单调的缺点，通过其中效应颜料的反射和折射光线，在不同角度都有闪闪发光的效果。汽车涂料在色彩上取得了很大的突破，出现了各种具有金属闪光效果的颜色，目前，80%以上的汽车涂料采用了该技术。为了达到对铝粉的良好定位，提高闪光涂料的FI值，汽车闪光涂料的施工固含量较低，因此溶剂排放量日益引起了人们的关注。随着人们对环保要求的提高，涂料水性化的要求也相应被提出。经过几十年的发展，欧美、日本的一些涂料大公司掌握了水性汽车涂料技术，并在涂装线上应用良好。因而水性汽车金属闪光涂料的发展，顺应了国际环保潮流，是汽车面漆发展的必然趋势。1 水性金属涂料闪光机理水性金属闪光涂料之所以具有非凡的装饰效果，是因为该类涂料中加入了金属铝粉或珠光粉等效应颜料。这种效应颜料在涂膜中定向排列，光线照过来后通过各种有规律的反射、透射或干涉，最后人们就会看到有金属光泽的、随角异色的闪光效果。目前主要使用的随角异色效应颜料有片状金属颜料(以铝粉为主)和珠光颜料(云母钛和云母氧化物)。绝大多数具有光学效应的颜料为片状结构，这类片状结构的颜料在涂膜中的排列对于随角异色(或称为闪光)效果影响很大(如图1所示)。当片状铝粉或珠光颜料无规排列时，光线照射在这些颜料上，只有漫反射，没有任何光学效果。但生产和应用过程中，可以通过调整配方和工艺以使得这些片状颜料有规取向(平行于表面或底材)，入射光在其表面呈现定向反射，结果就会造成在某一观察角(即反射角)处光强度最大，而在其他观察角处光强度均很弱，产生强烈的光学效果。即在同一入射光角度下，随观察者视角的变化，涂膜的明度发生强烈变化。水性涂料是靠树脂结构变化和特定的流变控制剂形成具有构造黏性的流体，在受到高剪切力的作用时，黏度迅速降低，有利于良好的雾化；漆雾到工件上以后，剪切力消失，湿膜黏度恢复，迫使铝片不易移动，在干燥时涂膜收缩，铝片就能排列有序地定位。因此水性闪光涂料中最关键的技术就是将体系的流变性控制在合适的范围内(见图2)，对控制体系的流变性可以采用一些特殊功能的树脂或是通过外加触变性的流变助剂，使体系有一定的假塑性，从而帮助铝粉排列。2 水性金属闪光涂料的技术发展在水性汽车闪光涂料中，目前主要采用水性丙烯酸/氨基体系，在丙烯酸/氨基体系中，一般选用在特定条件下具有一定假塑性，能使片状颜料良好取向，产生随角异色闪光效果的树脂。20世纪70年代，ICI公司采用微凝胶技术的水性体系，据其专利介绍，乳液粒子具有核壳结构，内部的核部分具有一定的交联度，外层壳部分具有加碱增稠性。由于粒子的内交联结构提高了涂膜的物理机械性能，壳部分提供了抗流挂所需的假塑性，所以在引入各种效应颜料，如水性铝粉、珠光粉、透明颜料等时，可以得到一种具有随角异色效果的金属闪光涂层。Yamamoto等也研究了3种类型的丙烯酸乳液在水性金属闪光涂料中的应用：一种均相结构的乳液；一种核壳结构(核部分未交联)的乳液；一种内部交联的核壳结构的乳液。在体系中加入不同水性流变助剂和溶剂，研究了它们对体系流变状态的影响，并探讨了与铝粉排列的关系。日本关西采用核壳结构的丙烯酸乳胶和水溶性的丙烯酸树脂以及聚酯树脂，以氨基树脂做交联剂，研究了不同含量的乳胶树脂对体系黏弹性以及施工性的影响，制备出了流变性能优异、施工范围宽的水性金属底色漆。Seung Min Hong等1999年对核壳结构丙烯酸体系的铝粉涂料进行了研究。通过调整树脂合成过程中各种单体的比例，得到不同核壳结构的乳胶，研究了不同酸值的丙烯酸乳液对pH值的响应性以及黏度的变化情况；在铝粉定向方面，通过比较施工黏度、溶剂含量、体系屈服值等发现体系中的助溶剂含量对铝粉排列的作用不显著，而施工黏度和屈服值等能影响涂膜的外观性。在国内，常州涂料化工研究院从1996年就率先开始了轿车水性金属闪光涂料的开发研究，合成了一种核壳结构的聚合物，具有良好的效应颜料定向效果，并进行了线上喷涂实验。3 水性金属闪光涂料的施工水性涂料与溶剂型涂料相比，在表面张力、蒸发潜热等方面有着很大的不同，因此喷涂水性涂料的工艺条件(如环境温度、湿度、喷涂黏度、烘干温度等)也有较大的差别，如表1所示。从表1中可以看出，水性涂料电阻低，在高压下导电，因涂料管漏电无法接上高压；喷涂溶剂型涂料的静电喷涂设备，不适用于水性涂料的静电涂装。通常水性涂料静电喷涂时，外部电极荷电式输漆系统与电喷枪之间绝缘采用两种方式，即外部电极和内部电极，如图3所示，具体特点比较见表2。此外，施工环境条件对水性涂料特别是水性金属闪光涂料的施工性影响也很大。其中温湿度对涂膜外观及色差的控制影响最大，所以水性汽车金属闪光涂料的涂装环境，一般温度范围在21～27 ℃，湿度范围在50%～80%，在这个范围之内，可以达到合格的效果。如果想要得到更好的效果，可以将施工窗口控制得更窄，国内一些汽车涂装厂在这方面进行了较多的工作。4 水性金属闪光涂料的发展前景对于水性金属闪光涂料的开发，除了要求其各项性能与溶剂型闪光涂料相当，定向性能可与一般的溶剂型相媲美、闪光效果更好之外，以下是具体产品开发中需要进一步提高的方向：(1) 施工过程中管道循环色差的稳定性；(2) 涂料施工作业范围应尽可能宽, 要求的湿度和温度应尽可能接近溶剂型涂料(温度20～30 ℃，相对湿度50%～85% )；(3) 可与溶剂型罩光清漆、水性清漆和粉末清漆配套；(4) VOC含量应尽可能低，不大于15%；(5) 价格与溶剂型涂料相当。