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前言

隨著人們環保意識的不斷增強，涂料的水性化程度在逐步提高，根據實際使用要求的不斷提高，丙烯酸樹脂單獨使用大多難以同時達到重涂、耐溶劑、T彎、耐紫外等性能要求，部分客戶在制漆時用聚酯樹脂與丙烯酸樹脂搭配解決上述問題，但是受成本高、相容性差、耐候性差等因素影響較大。隨著研究的深入，發現優選高性能水性改性丙烯酸樹脂與氨基樹脂合理搭配能有效改善水性涂料的重涂、耐溶劑、耐紫外等多方面性能；本文針對應用較廣泛的鋁合金基材，優選高性能水性丙烯酸樹脂，采用不同的氨基樹脂及其配套固化體系，制備出水性特殊改性丙烯酸烘烤型涂料，研究了氨基樹脂為主的固化體系對所制備產品重涂性以及綜合性能的影響。

1、 實驗部分

1.1藥品及儀器

水性丙烯酸改性樹脂(ZTC-02A)，工業級，湖南智涂新材料有限公司；水性丙烯酸樹脂5208，工業級，市售某公司產品；氨基樹脂303，工業級，氰特；氨基樹脂325，工業級，氰特；NN-二甲基乙醇胺（DMEA），工業級，巴斯夫；封閉異氰酸酯固化劑，工業級；苯代氨基樹脂，工業級；密著劑ZTC-808R，工業級，湖南智涂新材料有限公司；酸性催化劑，工業級；流平劑，工業級，埃夫卡3777；二丙二醇甲醚（DPM），工業級；丙二醇甲醚（PM），工業級；異丁醇，工業級；丁酮，工業級；水性烤漆DW-1，工業級，市售某公司產品。

燒杯；小型高速分散機；電子天平；鼓風干燥箱；3M膠帶；百格刀；光澤度儀；鉛筆硬度計；紫外光老化試驗箱；T彎試驗機；耐溶劑擦拭儀；恒溫水浴鍋。

1.2水性烤漆制備

依次加入主體樹脂45g、303氨基樹脂2-10g、325氨基樹脂1-5g、苯代氨基樹脂0-2g、中和劑（DMEA）3g、封閉型異氰酸酯固化劑0-7g、密著劑2g、酸性催化劑1g、流平劑0.2g、DPM 15g、PM 10g、異丁醇10g，用高速分散機，300r/min分散10min左右，靜置消泡，待用。

1.3漆膜的制備

將表1和表3中配制的水性烘烤型涂料，分別加水開稀至適當粘度，噴涂于鋁板上（鋁板厚度約0.8mm），并在150℃烘烤30min，出爐自然冷卻至常溫，再放進鼓風干燥箱，150℃烘烤30min；按照上述步驟再進行一次噴涂和烘烤，出爐后自然冷卻至常溫，即完成漆膜制備，方可進行后續性能測試。

1.4性能測試

漆膜光澤度測試：60°光澤度儀，GB/T 1743-1979。漆膜硬度測試：鉛筆硬度計（三菱鉛筆），GB/T6739-2006。重涂測試：百格法，GB/T 9286-1998。丁酮測試：耐溶劑測試儀， GB/T 23989-2009。耐水煮測試：沸水中蒸煮一定時間后，冷卻擦干，百格法測試涂層是否脫落，GB5237－2000。T彎測試：T彎試驗機，GB/T 30791-2014。耐紫外測試：紫外光老化試驗箱，GB/T 14522-2008。

2、 結果與討論

2.1 水性丙烯酸主體樹脂的篩選

丙烯酸樹脂，以其在附著力、光澤度、耐腐蝕、耐候等方面的優點，被廣泛應用于金屬、玻璃、塑膠、木器等領域。本文主要針對水性丙烯酸樹脂在鋁合金基材涂料，如鋁合金自行車涂料、鋁合金室外裝飾板涂料以及水性卡車鑄鋁涂料等方面的應用情況，選擇較厚的鋁合金基材進行涂裝及性能測試研究。

本研究的主體樹脂，選擇市售水性丙烯酸樹脂5208和我司自主研發的特殊改性水性丙烯酸樹脂ZTC-02A。其中，5208是采用常規丙烯酸單體和傳統的引發體系，制備出的玻璃化溫度較高的水溶性丙烯酸樹脂，其應用于普通五金烤漆方面，性價比較高；ZTC-02A采用了兩個階段的特殊改性，首先通過超支化和多活性結構設計制備一定分子量的預聚體，然后對該預聚體進行丙烯酸功能化接枝改性，實現該產品在鋁合金、鎂合金、不銹鋼、鍍鋅件等基材表面，都具有普遍較強的附著能力。針對這兩支產品在水性金屬烤漆方面的應用特點，選用較常用的氨基樹脂（氰特303和325搭配）設計鋁合金基材表面的水性烤漆初步實驗方案及對應的涂層性能如表1。

表1 水性丙烯酸主體樹脂篩選實驗方案及結果

注：(1)表中“氨基比”為主體樹脂與氨基樹脂的重量比；(2)各實驗配方選擇較適中的固化梯度，即氨基樹脂303與325的重量比≈2:1；(3)各實驗配方的其他組分，詳見1.2節水性烤漆制備中的各組分重量。

由表1可知：實驗設計方案中固化體系，采用了氰特氨基樹脂303和325按2:1搭配，氨基比采用3:1~10:1，分別對ZTC-02A樹脂和5208樹脂進行水性烤漆的調配。

從涂層性能來看：

1）采用ZTC-02A樹脂調配的水性烤漆，在鋁合金基材表面固化成膜后，光澤在132-136°（60°角光澤度儀測試）、重涂性0-1級、硬度1-3H、耐丁酮30-50次、耐水煮1-2h、T彎0-1T、耐紫外2000h；

2）采用5208樹脂調配的水性烤漆，在鋁合金基材表面固化成膜后，光澤在95-98°（60°角光澤度儀測試）、重涂性3-4級、硬度2-3H、耐丁酮5-10次、耐水煮0.5-1h、T彎2-3T、耐紫外500h。

3）隨著氨基比的增大，漆膜硬度、耐水煮、耐丁酮性能逐漸下降；重涂性和T彎性能逐漸提高。

綜合來看：①ZTC-02A樹脂調配的水性烤漆，在光澤、重涂性、耐丁酮、耐水煮、T彎、耐紫外等方面的性能均優于5208樹脂。②ZTC-02A樹脂調漆，氨基比選擇在5:1和8:1的綜合性能較優。因此，本文后續選擇ZTC-02A樹脂作為鋁合金基材水性烤漆進一步性能優化的主體樹脂。

2.2 水性丙烯酸樹脂配套固化體系的優化

通過前期篩選實驗，確定了ZTC-02A樹脂為重涂性等綜合性能較優的主體樹脂，也初步得到氨基比為5:1-8:1的性能較佳。在此基礎上，考慮選擇氨基比為6.5:1，進一步研究固化劑體系對綜合性能的影響，確定鋁合金基材表面更優的水性烤漆配方。

表2 基于主體樹脂ZTC-02A的固化體系優化方案及結果

注：（1）表中“氨基比”為主體樹脂與氨基樹脂的重量比；（2）對比實驗中，引入了苯代氨基樹脂和封閉性異氰酸酯固化劑，進一步提升產品綜合性能；（3）各實驗配方的其他組分，詳見1.2節水性烤漆制備中的各組分重量。

由表2可知：基于主體樹脂ZTC-02A的固化劑體系，在氰特氨基樹脂303、325的基礎上，引入了苯代氨基樹脂和封閉型異氰酸酯固化劑，控制氨基比為6.5:1，對ZTC-02A樹脂進行水性烤漆的調配。

從涂層性能來看：

1）采用ZTC-02A樹脂調配的水性烤漆，在鋁合金基材表面固化成膜后，光澤在135-139°（60°角光澤度儀測試）、重涂性0級、硬度3-4H、耐丁酮100-200次、耐水煮2-10h、T彎0T、耐紫外2000h；

2）隨著封閉型異氰酸酯固化劑的用量增加，耐丁酮、耐水煮性能逐步增強，同時還出現了一個很好的現象，就是硬度逐步上升了，而重涂性和T彎性能仍然保持不錯的效果。

3）結合2.1節的實驗數據來看，在常規303和325的氨基組合的基礎上，適當搭配苯代氨基樹脂，可以顯著改善耐水煮性能；適當搭配封閉型異氰酸酯固化劑，可以顯著改善耐丁酮性能。

2.3 固化溫度對水性烤漆性能的影響

選擇用ZTC-02A樹脂，按2.2節“實驗16”配方制備的水性烤漆02A-16，涂裝于鋁合金基材，固定固化時間為30min，考察固化溫度在120-180℃區間變化時，涂層綜合性能的影響。

表3 不同固化溫度下水性烤漆涂層性能對比

由表3可知，隨著固化溫度的逐步升高，涂層光澤度變化不明顯；重涂性呈下降趨勢；硬度呈升高趨勢；耐丁酮能力先增強后降低；耐水煮性能也是先增強后降低；T彎性能逐步下降；耐紫外性能保持不變。

從原理上面分析，隨著固化溫度的升高，樹脂和固化劑等成膜材料之間的活性基團，如羥基、羧基、氨基、異氰酸根等反應得越來越充分，從而涂層交聯的致密程度也逐步提高，所以固化溫度從120℃變化到150℃，涂層綜合性能逐步提高；而隨著溫度進一步升高，從150℃變化到180℃，涂層綜合性能呈現下降趨勢，這可能是因為在150℃左右，成膜物活性基團已經反應得相當充分了，再提高固化溫度的話，漆膜處于過度烘烤狀態，內部產生熱應力等等的破壞，從而導致其綜合性能的下降。

總的來看，固化條件為150℃30min時，02A-16水性烤漆的涂層綜合性能最佳：光澤139°、重涂性0級、硬度4H、耐丁酮200次、耐水煮10h、T彎0T、耐紫外2000h。

3、 結語

選擇常規氨基樹脂（氰特303和325）為基礎固化劑體系，篩選確定ZTC-02A樹脂為綜合性能較優的主體樹脂，在此基礎上，進一步優選苯代氨基樹脂和封閉型異氰酸酯固化劑，發現：以ZTC-02A為主體樹脂，氨基比為6.5:1，苯代氨基樹脂用量為2%、封閉性異氰酸酯固化劑添加量為7%，制備出的水性烤漆，涂裝于鋁合金（厚度≈0.8mm）基材，150℃30min的固化條件下，涂層綜合性能最優。

隨著水性涂料市場需求的不斷增加，對水性涂料的要求也越來越高，力爭做到與油性產品媲美，作為水性涂料核心成膜物的水性樹脂材料，更應該持續減少有害物質的含量、提升優異的性能，為水性涂料產業持續發展奠定良好的基礎。