溶劑及聚氨酯樹脂對水性3wet色漆外觀影響的研究

沈香月

（艾仕得涂料系統(tǒng)技術(shù)研發(fā) （上海）有限公司，上海 200245）

隨著國內(nèi)汽車行業(yè)發(fā)展和競爭日益激烈，消費(fèi)者對汽車表面外觀的要求越來越高。相應(yīng)的，主機(jī)廠對汽車OEM涂料外觀的標(biāo)準(zhǔn)也日益提升。目前評價漆膜外觀的方法主要是目視缺陷和橘皮儀數(shù)據(jù)檢測。用橘皮儀進(jìn)行測試的數(shù)據(jù)中，橘皮結(jié)構(gòu)被光學(xué)儀器解構(gòu)成du，Wa，Wb，Wc，Wd，We。其中0.6mm以下的結(jié)構(gòu)屬于短波 （Sw），0.6mm以上的結(jié)構(gòu)屬于長波 （Lw）。另外鮮映性DOI，用來評判漆膜的成像銳度，也是外觀的重要評判標(biāo)尺之一。除此之外，主機(jī)廠通常又根據(jù)Lw／Sw或結(jié)構(gòu)譜線數(shù)據(jù)計算規(guī)定一些綜合標(biāo)尺。例如福特汽車用CF值，通用汽車采用R值，等等 （這兩個值都是越大代表外觀越好）。

影響漆膜外觀的因素眾多，中涂、色漆和清漆配方，原材料、施工設(shè)備、工藝，環(huán)境溫濕度，烘爐的爐溫曲線等都會影響漆膜的外觀。本文主要從色漆配方角度，以一款在客戶端外觀表現(xiàn)不佳引起客戶抱怨的水性3wet灰色金屬色漆為例，研究了配方內(nèi)不同溶劑的平衡和聚氨酯樹脂含量對外觀的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果指導(dǎo)了配方優(yōu)化。其中溶劑的影響及平衡采用了混料DOE，該方法也可以在后續(xù)其他產(chǎn)品外觀優(yōu)化時利用。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

水性3wet灰色金屬漆，水性3wet灰中涂，2K清漆，去離子水，清漆固化劑：艾仕得涂料系統(tǒng)（長春）有限公司；N-甲基-2-吡咯烷酮：巴斯夫化學(xué)；丙二醇單丁醚：江蘇天殷；乙二醇單丁醚：巴斯夫化學(xué)；氨基樹脂：艾仕得涂料系統(tǒng) （長春）有限公司。

1.2 試驗設(shè)備

旋轉(zhuǎn)黏度儀：CAP2000，美國Brookfield公司；BYK橘皮儀：德國BYK公司；噴涂機(jī)器人：Semi-tech，2K Lab Application Robot，德國 Liman公司；膜厚儀：Delta scope FMP30，費(fèi)希爾測試儀器有限公司；電泳板：10cm×30cm，艾仕得涂料系統(tǒng)（上海）有限公司。

1.3 試驗準(zhǔn)備

基料合成：為控制單因素變量，統(tǒng)一合成固定基料；

中涂噴涂：13～16μm，空氣閃2min，82℃預(yù)烘烤5min；

色漆噴涂：15～18μm，空氣閃2min，82℃預(yù)烘烤5min；

清漆噴涂：55～60μm，空氣閃7min，93℃烘烤10min，140℃烘烤20min；

噴涂方式：靜電噴涂；平閃平烘；立閃立烘；

板材：ACT10*30的板材。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方內(nèi)溶劑對色漆外觀的影響

如水性3wet原廠涂料的施工［1］，色漆噴涂在預(yù)烘的中涂上，色漆進(jìn)行預(yù)烘烤后，噴涂清漆，各層之間濕碰濕。與傳統(tǒng)工藝水性涂料相比較，影響涂層外觀的因素增多。色漆不僅自身要有良好的流平，還有防止和中涂的咬合，還要保證清漆層在其上的良好潤濕。N-甲基-2-吡咯烷酮、丙二醇單丁醚和乙二醇單丁醚作為水性色漆的主要溶劑，影響整個色漆體系的黏度pH，pH值，樹脂溶解性溶脹性，體系的觸變性，漆膜的表干速度、施工固體份等等。找到合適的溶劑平衡配比很重要和關(guān)鍵。其中，乙二醇單丁醚的沸點(diǎn)大概是171℃，有非常好的親水性，可以提供優(yōu)良的體系穩(wěn)定性。N-甲基-2-吡咯烷酮，沸點(diǎn)超過200℃，屬于高沸點(diǎn)溶劑，對于色漆的潤濕流平有正向作用。丙二醇單丁醚，沸點(diǎn)在160～180［2］。為了找到合適的溶劑比例，針對灰色金屬漆，我們利用混料DOE的設(shè)計和結(jié)果數(shù)據(jù)分析［3］。溶劑混料DOE具體矩陣如表1。為保證單一影響因素，我們先合成前部基料，保證前部基料的一致性，再按照配方合成不同溶劑配比的色漆涂料樣品。

表1 溶劑混料DOE表Table 1 DOE of Solventmix

2.1.1 溶劑對體系pH值和黏度的影響

黏度和pH變化數(shù)據(jù)結(jié)果如表2。pH和黏度pH影響的等值線圖和主效應(yīng)圖如圖1和圖2。pH值在7.57～7.90間變化。其中丙二醇單丁醚對pH的影響最強(qiáng)，丙二醇單丁醚量越多，pH值越高。不過溶劑在試驗方案比例范圍內(nèi)，pH的變化整體上不大。僅pH的差異對涂料的施工應(yīng)用影響不大，根據(jù)施工時具體的ph值需要，可以用配方內(nèi)的胺來進(jìn)行調(diào)節(jié)。乙二醇單丁醚和丙二醇單丁醚會提高整個體系的黏度，這與乙二醇單丁醚和丙二醇單丁醚對配方體系內(nèi)的丙烯酸樹脂具有溶脹作用相關(guān)。N-甲基-2-吡咯烷酮的加入會降低體系的黏度，對樹脂基本沒有溶脹作用。其中50%和50%的乙二醇單丁醚與丙二醇單丁醚，協(xié)同溶脹作用最強(qiáng)，涂料的黏度pH能達(dá)到最高。

表2.ph和黏度結(jié)果Fig.2.Result of pH and Viscosity

圖1 溶劑對pH和黏度影響的等值線圖Fig.1 Mixture Contour Plot of pH and Viscosity

圖2 溶劑對pH和黏度影響的主效應(yīng)圖Fig.2 Main Effect of solvent on pH and Viscosity

2.1.2 溶劑對外觀的影響

將上述10個樣品用去離子水調(diào)整到一致的施工黏度 （20r／min：100～140cp）。按照 1.3所述進(jìn)行噴涂并對干膜用BYK橘皮儀進(jìn)行檢測。其中H代表平面，V代表立面。分析了溶劑對平面R值和立面R值等值線圖，溶劑對平面R值和立面R值的主效應(yīng)圖，如圖3和圖4。整體上看，N-甲基-吡咯烷酮的量對R值有正向的作用，但丙二醇單丁醚和乙二醇單丁醚超過5.7%的量以后，無論平面還是里面R值都下降，表明外觀變差。

圖3 立面和平面外觀主效應(yīng)圖Fig.3 Main effects plot of R／V and R／H

圖4 溶劑對外觀影響等值線圖Fig.4 Contour Plot of Solvent Effects on Appearance

2.1.3 溶劑在配方中對流變表現(xiàn)的影響

水性涂料不同于溶劑型涂料，屬于非牛頓流體。其流變表現(xiàn)可以預(yù)測涂料施工中的表現(xiàn)。所以針對樣品我們還進(jìn)行了流變測試，分為flow curve模式和shear recovery模式。

由圖5、圖6看出，N-甲基-2-吡咯烷酮的配方在高剪切條件下黏度很低，高剪切條件對應(yīng)涂料噴涂時高速的旋杯旋轉(zhuǎn)帶來的對涂料的剪切，這會帶來更好的霧化，但對于0.01～1 s-1低剪切條件下，黏度表現(xiàn)最低，說明會有相對弱的儲存穩(wěn)定性。而丙二醇單丁醚相反，在低剪切條件下黏度表現(xiàn)最高，高剪切條件下，黏度最高，對應(yīng)的配方產(chǎn)品預(yù)測有較好的儲存穩(wěn)定性，但霧化能力降低。通過Shear Recovery來看，丙二醇單丁醚和乙二醇單丁醚在3000 s-1，6000 s-1及低剪1 s-1條件的表現(xiàn)相當(dāng)，都是不利于高剪切時的霧化。綜合儲存穩(wěn)定性的需要，霧化的需要，外觀的需要，我們把溶劑的比例選取在，丙二醇單丁醚5.73%，乙二醇單丁醚1.43%，N-2-甲基吡咯烷酮1.43%。

2.2 聚氨酯含量對色漆外觀的影響

本文中的灰色金屬漆除了正常橘皮外觀不佳外，在客戶端施工過程中還存在噴涂交槍位置漆霧難回溶造成的橘皮嚴(yán)重，DOI低，輕微失光現(xiàn)象。除了上述的溶劑調(diào)整，我們也從樹脂角度尋找改進(jìn)的空間。聚氨酯兼具保護(hù)和裝飾性，其較低的Tg［4］，可以提高漆膜最終的斷裂伸長率，調(diào)節(jié)漆膜的彈性，得到滿足需求的機(jī)械性能［4-5］。本文還研究了配方內(nèi)的聚氨酯含量對外觀的影響。分別合成聚氨酯的樹脂含量 （即在配方樹脂中的占比）為10%，15%，20%，25%的色漆。

結(jié)果如圖7，隨著聚氨酯含量的提高，長波Lw隨著PUR含量的提升，明顯降低。外觀尤其是立面R值也顯著提高，但在超過15%以后，Lw沒有明顯的繼續(xù)降低，R值變化也不大。DOI隨著PUR含量的提高，也明顯提高，同樣的在達(dá)到15%含量以后，變化不再明顯。表明15%的含量基本滿足配方外觀的要求。

圖7 不同含量PUR含量對外觀的影響結(jié)果Fig.7 Results of Appearance via different ratio of PUR

2.3 結(jié)論

結(jié)合溶劑和聚氨酯的試驗結(jié)果，優(yōu)化了灰色金屬漆的配方，PUR最終采用15%的含量，溶劑采用丙二醇單丁醚5.73%，乙二醇單丁醚1.43%，N-2-甲基吡咯烷酮1.43%的方案。改進(jìn)后的配方生產(chǎn)的產(chǎn)品，在客戶端試線噴涂，車身整體共39個外觀測試點(diǎn)R／V平均值提高了0.4個單位，R／H提高了0.3個單位，DOI提高了平均3個單位。最容易發(fā)生漆霧難回溶的門檻位置失光現(xiàn)象也得到了明顯改善。

3 結(jié)語

影響漆膜最終外觀的因素非常多，從色漆材料配方的角度，合理的溶劑平衡直接影響涂料的干濕，流變表現(xiàn)，從而影響外觀。聚氨酯作為高性能的樹脂，在配方內(nèi)的含量也需要設(shè)置在合理的范圍，對于有外觀改進(jìn)要求的其他色漆也不妨從這兩個角度進(jìn)行改善。