引言
鋁合金車作為輕量化物流車的一個發展方向，近些年具有較大程度的增長，但是由于鋁合金表面氧化膜的問題造成外觀效果隨著時間的延長而變差，然而隨著車廂材質由鋼鐵轉變為鋁合金等的變化，為了更好的裝飾和防止氧化腐蝕，涂料的種類和品質也發生很大的改變。通過水性聚氨酯涂料來進一步抑制其氧化膜的形成，并達到裝飾美觀的外觀效果是近些年發展起來的一條便捷而更環保的解決方案。水性聚氨酯是用水作為溶劑，相較于傳統的溶劑型聚氨酯具有無污染、安全可靠、機械性能優良等優點。隨著國家對環境保護要求的進一步提高，尤其是控制有機揮發物(VOC)的排放，繼北京市后，廣州市、天津市、河北省等相關省市均出臺了《工業企業揮發性有機物排放控制標準》等相應的控制VOC的管理辦法，所以水性化涂料產品作為低VOC產品的發展方向的一個分支，具有更大的市場潛力，本實驗旨在為某汽車公司開發的鋁合金物流車上研發一支具有良好附著力和耐候性的環保型水性聚氨酯產品。
1 試驗部分
1.1 原材料
本實驗中應用的主要原材料，相關的指標、技術參數等見表1所示：
表1 制備水性聚氨酯的主要原材
1.2 涂料制備
涂料的制備方式為：將部分水加入燒杯中，在攪拌下將分散劑、消泡劑、胺中和劑、助溶劑等依次加入，低速分散5～10min，然后在攪拌下將顏填料加入，先低速攪拌均勻，再提高攪拌速度分散30min，使漿料達到控制的細度(≤20um)，最后在低速攪拌下將分散體、流變劑和流平劑依次加入，用剩余的去離子水將攪拌桿進行沖洗后測試其漿料的pH值，合格后即得相應的涂料產品。
表2 涂料基礎配方
1.3 涂裝
本產品為雙組份產品，添加固化劑時需要在攪拌下加入，將主劑在攪拌下加入固化劑，攪拌3～5min后，在攪拌下將去離子水按量加入，調整噴涂粘度到50s/-4/23℃，在濕度≤70%且通風良好的環境下噴涂測試板，涂裝好后晾置30min，用80℃烘箱烘烤40min，即可成透明膜。
1.4 涂膜性能測試
涂膜性能測試的項目以及依據的標準如表3所示。
表3 測試項目及相關標準
2 結果與討論
2.1 水性樹脂的選擇
由于本實驗的基材為鋁合金基材，客戶要求附著力佳，耐候性良好，并且要求涂膜對光澤≥85%，所以在選擇水性樹脂時選擇二次分散體作為其主體的成膜物，因為二級分散體具有粒徑小、光澤高、流平性好、儲存穩定等的特點，本實驗選擇了國外三家公司的水性羥基丙烯酸分散體，分別做成清漆，涂覆在鋁合金上測試其附著力以及別的相關性能，其結果如表4。
表4 水性聚氨酯清漆在鋁合金板上的物理機械性能
在試驗水性聚氨酯清漆的過程中發現，三支清漆在鋁合金表面均可以良好的涂裝，并且具有較高的光澤，符合客戶要求的光澤(≥85%)，但是在檢測附著力時發現，在不同的位置測試出來的附著力有較大的差異，其中大部分是合格的，但是總有一些位置出現附著力非常差，甚至出現膠帶將局部1～2cm2范圍內的漆膜全撕掉，此現象在三支產品中均表現出來，通過用溶劑清洗鋁合金表面，以及擦拭等方法均無法使全部表面的附著力做到一致，總會出現一兩個檢測點的附著力特別差的情況，經過分析了解到，鋁合金表面存在一種氧化膜，一種是在大氣中氧化形成的膜層，δ約為4～5nm，這層膜結構疏松;另外一種是采用化學氧化法或電化學氧化在鋁合金表面形成的氧化膜，膜厚可達數百微米，具有高硬度，高耐磨，具有強吸附能力和耐腐蝕力。本實驗所采用的鋁合金板是采用陽極化成膜的，陽極氧化膜的橫截面為六角形的蜂窩狀結構，中間有一個圓形的空洞，其單元尺寸一般小于100nm，微孔孔徑一般小于20nm，微孔的密度達到760 億個/ 平方厘米。氧化膜單元的厚度一般以微米為單元。如果氧化膜的厚度為10 um，那么其高度約為孔徑的500 倍以上。所以其表面積仍很大，容易造成不同程度的局部污染，即使用溶劑擦拭，仍然出現涂膜局部附著力不合格的問題。通過分析其具體的原因，最后選擇用打磨的方法來解決其局部污染或后處理不干凈造成附著力差異性的問題，整體打磨后重新噴涂，干燥后在不同位置測試，其附著力均一致。通過表4的檢測結果可以看出WAD2和WAD3兩支水性分散體在鋁合金上的附著力較好，均達到了1級。
2.2 助劑的選擇
由于水的表面張力隨著溫度的升高而降低，在常溫下(以20℃來計)的表面張力為，而常規溶劑的表面張力一般在20～30 mN/m，水的表面張力高的多，所以在金屬基材上不易更好的鋪展，同時還容易形成厚邊、流平不好，以及起泡等問題，所以本研究主要對針對水性聚氨酯中應用的消泡劑和基材潤濕劑進行了篩選，篩選辦法為，取10g分散體，按每種消泡劑推薦量的最大值加入，然后在玻璃板上涂膜查看其是否有發白、縮孔等問題，其中涂膜出現縮孔等問題的消泡劑排除掉不再評價其消泡能力，具體如表5所示。涂料對基材的潤濕性及鋪展性是通過篩選基材潤濕劑來評估的，具體如表6所示。從表5和表6可以看出，單從混溶性來看BYK-1711、Foamex 7447、Foamex K3是比較適合WAD2分散體的，而Foamex 825和Airex 902w是比較適合WAD3分散體，但是再考慮消泡能力來分析，可以看出BYK-1711更適合WAD1，而Foamex 825更加適合WAD3。
表5 消泡劑的篩選
注：表格中符號的含義，縮孔符號：—;無縮孔符號：○;混溶發白符號：△;透明：☆;消泡能力用“+”表示，其中最強為“+++++”;“++”以下不合格。
表6 基材潤濕性的篩選
注：基材的潤濕性用“◎”表示，其中“◎◎◎◎◎”為基材潤濕良好，流平性最佳;“◎◎”以下不合格，“◎”為流平性不良，縮邊嚴重。
2.3 助溶劑的選擇
助溶劑在水性聚氨酯中起的主要作用是更好的搭接水相/油相，同時還可以更好的調節體系的粘度、流變性，并降低體系的最低成膜溫度，在一定程度上還可以提高涂膜的光澤和流平性，降低分散體的Tg，使得聚氨酯樹脂有足夠時間來相互聚結，形成分子鏈段相互滲透的涂膜，使漆膜具有更好的密閉性。本實驗對比了不同助溶劑對水性聚氨酯涂膜的光澤，涂裝厚度，以及外觀的影響，具體如表7所示，從表7可以看出，DPnB和DB添加相同量時均可使水性聚氨酯涂膜的膜厚達到60 um，同時流平性性較好，而DPM要稍差一些。
表7 助溶劑對涂膜的性能影響
2.4 n(-NCO)/n(-OH)比例對涂層性能的影響
由于異氰酸酯(-NCO)和水也可以發生反應放出CO2，尤其在固化劑剛加入水性聚氨酯主漆中時，初期較快的反應會促使漆漿粘度提升比較明顯，而且在涂裝后對涂層的光澤、硬度等性能的影響也較為明顯，本實驗測試了n(-NCO)/n(-OH)不同比例時，漆膜的性能如表8所示，從表8可以看出當n(-NCO)/n(-OH)的比例控制在1.5或1.7時，涂膜的相關物理機械性能均達到較佳的效果。
表8 不同n(-NCO)/n(-OH)對涂膜性能的影響
2.5 施工條件對涂層外觀的影響
水在一個大氣壓()下，100℃時的氣化潛熱為，而溶劑型涂料所用的烷烴類溶劑的蒸發潛熱一般在20～30KJ/mol的范圍[10],水的蒸發潛熱高的多，所以水分難以在低溫時揮發出來，這也造成水性漆對涂裝環境，干燥環境的溫濕度，以及通風情況的要求比較高，一般建議濕度小于70%，溫度高于10℃，具有良好的通風情況，溫度低時需要循環熱風，這樣可以更好的促進水分揮發，本實驗研究在噴涂厚度為60±5 um時，表干不同時間后在80℃的烘烤條件下，對涂膜外觀的影響，具體如表9所示。由表9可以看出，60±5 um厚度的干膜，需要的干燥時間條件為：表干20min，80℃烘烤40min，在鋁合金板上的附著力為1級。由此也可看出，要獲得良好的外觀，烘烤前需要一定的晾干，促使部分水份提前揮發，同時更好的流平。
表9 不同表干和烘烤時間對涂膜外觀的影響
2.6 涂層的性能結果
根據客戶的需求，在鋁合金板上試驗不同的水性羥基丙烯酸分散體，其中WAD2和WAD3均可達到客戶的需求，但是通過表10可以看出，WAD2和WAD3兩支分散體的各項物理化學指標均相似，但是WAD2在耐酸性和耐人工老化性方面比WAD3具有更優越的性能，但是兩支產品均可達到客戶在鋁合金車輛上的要求，按較高的要求選擇WAD2作為最終的定型產品。
表10 涂層的性能結果
總結
本研究試驗了不同的水性分散體固化后在陽極化處理的鋁合金基材上的各項性能，通過對涂料所用的分散體、助劑、助溶劑、n(-NCO)/n(-OH)比例、施工條件的試驗得出以下結論：1.陽極化的鋁合金基材上不容易處理干凈，正常涂膜存在附著力差異性，通過打磨處理可以更好的解決此問題;和DB在本體系中均使涂膜的干膜厚度達到60 um，同時涂膜的流平性和光澤均較佳;3.當n(-NCO)/n(-OH)的比例控制在1.5或1.7時，涂膜的相關物理機械性能均達到較佳的效果;4.烘烤工藝來干燥水性聚氨酯需要足夠的時間來進行初步的水份揮發和涂膜流平。
