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环保高耐候水性可剥离涂料的研制

来源:未知 作者:admin 时间:2020-01-09 点击:
导读:以脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物为主要成膜物,复配一定量的水性丙烯酸乳液,添加适量的无机颜填料和紫外光吸收剂,制备了一种环保型高耐候水性可剥离涂料。研究了脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物与水性丙烯酸乳液复配后漆膜的可剥离性、无机填料的用量对漆膜力学性能的影响、紫外
环保高耐候水性可剥离涂料的研制
程小波,魏薇,陈红婷,杨振波,师华
(中航百慕新材料技术工程股份有限公司,北京100095)

0 引言
钢材制品、零部件和武器装备在贮存和运输过程中易受到机械擦伤、磨损,以及各种微生物、油污、潮气等的侵蚀,影响产品的外观和使用寿命。此外,伴随电子消费市场的飞速发展,传统电子产品出场前的PE 膜防护、人员操作成本较高。研发PE 膜替代产品,提高生产效率,迫在眉睫。可剥离涂料满足了以上方面的要求,得到了大量的关注,目前已推广应用到航空、军用和民用上。但是,目前市场上的大部分可剥离涂料VOC 含量较高、耐候性较差,不环保且不能在室外长期使用。因此,急需一种低VOC 环保无污染、可长期在室外暴晒下使用的可剥离涂料。

本实验所用脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物具有极佳的可剥离性和物理机械性能, 紫外光固化水性丙烯酸乳液具有较高的硬度和较好的抗介质性能、价格适中,与脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物复配, 赋予树脂体系更优的耐化学性和可剥离性, 且树脂成膜过程中不需要成膜助剂,大大降低了涂料体系的VOC 含量,提高了环保等级。通过加入紫外线助剂和颜填料,进一步提高了漆膜的耐紫外老化能力和综合力学性能, 从而制备了一种低VOC、环保、高耐候的水性可剥离涂料。

1 实验部分
1.1 实验设备
CMT-4104 电子万能拉力实验验机,LU-0805 紫外光加速老化试验机,JGW-360 接触角测试仪, 高速分散机,锥形磨。

1.2 实验原材料
帝斯曼脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物: 罗门哈斯;2468 水性丙烯酸自交联乳液:巴斯夫;紫外线吸收剂、UH420 增稠剂: 市售;BYK346 流平剂、BYK025 消泡剂:毕克公司。

1.3 涂料的制备
可剥离涂料制备流程见表1。分别将A、B 在搅拌下混合均匀。
可剥离涂料制备流程
1.4 漆膜的制备
取规格75 mm×150 mm 的铝板, 用丙酮清除表面的油污和灰尘后,放在通风环境下风干。将涂料与去离子水按4∶1 进行稀释, 使涂料的黏度适中便于喷涂,然后对铝板进行2 道喷涂,喷涂间隔时间不少于20 min。
喷涂完成后,将样板放入通风橱自然风干4 h,或者放入烘箱60 ℃下20 min 烘干, 并控制干膜厚度在80~100 μm 左右。

1.5 性能测试
涂料细度按照GB/T 1724-1979 《涂料细度测定法》测试,180 °剥离强度按照GB/T 2790—1995《胶黏剂180 °剥离强度试验方法挠性材料对刚性材料》测试,漆膜拉伸性能按照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能的测定第3 部分:薄膜和薄片的试验条件》测试。

2 结果与讨论
2.1 树脂的选择
可剥离涂料要求树脂具备良好的可剥离性,能够轻松地从基材揭下,同时也要求具备一定的耐化学性和物理机械性能,如坚硬、弹性、防水和耐光老化,从而对基材起到一定的保护作用。目前常用的可剥离涂料树脂为聚氨酯树脂、丙烯酸树脂和聚乙烯醇树脂等,但这几种树脂的可剥离性均不够理想,需要添加可剥离助剂。此外,成膜助剂的加入,也降低了涂料的环保性。脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物是在聚氨酯主链上接枝丙烯酸,树脂内聚力大,在剥离过程中不易破
裂,机械强度接近聚氨酯并高于聚氨酯丙烯酸冷拼混合物, 且不需要成膜助剂即可在室温下干燥成膜,大大降低了VOC 含量。因此,本研究选用脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物为主要成膜物质。

2.2 两种树脂复配相容性实验
由脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物制备的可剥离涂料,可剥离性好,但耐候性稍差,且成本较高。因此,本研究选择了一种紫外线光固化水性丙烯酸乳液与脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物进行复配。将制备好的8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8 等配比的脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物和水性丙烯酸乳液的混合溶液放入50 ℃烘箱内,1 周后观察。混合乳液的稳定性良好,以上比例均能很好地相容,无破乳、无颗粒析出等现象出现。

2.3 两种树脂复配比例对漆膜力学性能的影响
保持树脂、填料和助剂用量不变的情况下,改变两种树脂的比例,制得可剥离涂料,并考察漆膜的力学性能。首先以5∶5 比例进行复配, 发现可剥离性较差,剥离过程中漆膜断裂,因此,考察脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物:水性丙烯酸乳液为8∶2、7∶3、6∶4 比例时漆膜的力学性能,结果如表2 所示。
不同乳液配比对清漆漆膜力学性能的影响
从表2 可以看出, 随着水性丙烯酸乳液添加量的增加,漆膜断裂伸长率下降,剥离强度上升,说明漆膜柔韧性降低,附着力增加,可剥离性下降。但同时,漆膜的拉伸强度升高,说明漆膜抗拉能力增强,在剥离过程中,不易断裂。综合来看,当脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物∶水性丙烯酸乳液质量比为7∶3 时,可剥离性最好。

2.4 两种树脂复配比例对漆膜耐紫外老化性能的影响
树脂复配比例对漆膜耐紫外老化性能的影响见表3。
不同乳液配比对清漆漆膜耐紫外老化性能的影响
由表3 可以看出,加入水性丙烯酸乳液后,漆膜的耐紫外人工加速老化性能得到提高,这是由于加入的自交联丙烯酸乳液为光固化树脂, 受光线照射后,能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化,进而交联固化。两种树脂比例7∶3 时,同时满足了综合力学性能优异、耐人工加速老化时间适中、成本较低的条件,因此,选择脂肪族聚氨酯丙烯酸乳液与水性丙烯酸乳液的质量比为7∶3。

2.5 填料对漆膜力学性能的影响
可剥离清漆漆膜具有良好的内聚力和强度,可以轻松的从基体上剥离而无残留、不断裂,但涂料黏度小,不易刷涂;成本较高,不利于工业推广;且漆膜遮盖力、耐磨性、耐介质性较差。因此,需要加入颜填料,如钛白粉和高岭土等,以增加黏度、降低成本,同时提高漆膜的遮盖力、机械性能和耐介质性。
金红石型钛白粉用于涂料中,可以增强漆膜的机械强度和附着力,防止裂纹,防止紫外线和水分透过,延长漆膜寿命。
片状高岭土亲水, 在水中具有良好的悬浮性,易分散,且可以赋予涂料良好的流平性,增强漆膜的机械性能,且价格低廉,适合与钛白粉搭配使用。
为此,将脂肪族聚氨酯丙烯酸乳液与水性丙烯酸乳液的质量比为7:3 的混合乳液作为成膜物, 加入金红石钛白粉、片状高岭土作为填料。将颜基比为0.4∶1、0.8∶1、1∶1、1.2∶1、1.4∶1、1.6∶1、1.8∶1 的浆料,按照1.3 中的方法研磨后,分别加入到清漆中,高速分散20 min至均匀。按照1.4 的方法制备涂膜,测试涂膜在铝板上的拉伸强度、断裂伸长率和剥离强度。
颜基比对拉伸强度和断裂伸长率的影响
图1 结果表明,随着颜基比的增大,漆膜的拉伸强度先升后降,断裂伸长率总体呈现下降的趋势。当颜基比达到1.2∶1 时, 强度达到最大值20.03 MPa,断裂伸长率382%。分析原因,加入适当的填料时,成膜物大分子将填料颗粒完全包覆, 填料为无机粒子,刚性强,因而起到了补强作用,漆膜的拉伸强度升高,但同时也破坏了大分子成膜物的链段运动,断裂伸长率下降。当填料过多时,成膜物不足以包覆填料粒子,从而使得填料粒子周围存在孔隙,漆膜不连续,强度明
显下降。
颜基比对剥离强度的影响
图2 结果表明,随着涂料配方体系中颜基比的增大,当颜基比达到1.2∶1 时,剥离强度达到了最大值0.23KN/m。漆膜的剥离强度先升后降。分析原因,是由于漆膜干燥过程中,水分蒸发,高分子聚合物成膜物收缩,而底材不会随之收缩,因而在漆膜和底材界面间产生了剪切应力而引起附着力的下降。填料粒子的存在,一方面由于填料粒子表面粗糙度大,提高了有效界面,另外,阻碍了大分子成膜物的收缩运动,漆膜和底材界面间产生的剪切应力下降, 附着力升高,剥离强度升高。当填料过多时,成膜物不足以包覆填料粒子,附着力下降,剥离强度下降。
本体系中,颜基比为1.2∶1 时,拉伸强度和剥离强度达到最大值,断裂伸长率适中,可刷涂或喷涂施工。
室温干燥7 d 后漆膜的初始剥离效果如图3 所示。
可剥离色漆初始剥离效果
2.6 紫外线吸收剂对漆膜耐老化性能的影响
未加入紫外线吸收剂时,老化400 h 时,漆膜粉化、破裂,不可剥离。向体系中加入1%的951 和533DW 紫外线吸收剂后,老化400 h 时,漆膜可成片剥离。
紫外线吸收剂对耐漆膜紫外老化 400 h 效果影响
结果表明,533DW 的耐紫外老化效果比较好,老化400 h 时,漆膜未发白、未起泡,剥离过程中可明显感觉到漆膜的强度较高,漆膜不变形、不易破裂。而951 的漆膜已经发白、漆膜变形,易破裂。因此,选用533DW 为紫外线吸收剂。

2.7 水性可剥离涂料的性能
按相关标准要求制备可剥离样板, 养护完成后,按相关标准进行性能测试,其性能指标如表4 所示。
低 VOC 高耐候水性可剥离涂料的性能
3 结语
(1)以脂肪族聚氨酯丙烯酸共聚物和和水性丙烯酸乳液为主要成膜物质,制备了一种不需要成膜助剂和可剥离助剂的水性低VOC 可剥离涂料,安全环保;
(2)研究了能够提高漆膜机械性能和降低成本的颜填料含量对漆膜可剥离性的影响,找到了较为合适的颜基比,既能提高漆膜的施工性和机械性能,又能降低成本,适合工业化推广;
(3)研究了紫外线吸收剂的种类和用量对漆膜耐人工加速老化性能的影响, 提高了漆膜的耐候性,将可剥离涂料的使用范围扩大到室外。

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