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水性可剝涂料的研制及性能研究

楊瑞*，原玲，劉虎，辛龑?zhuān)芪慕?br/>（北京航空材料研究院，航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

作者聯(lián)系方式：(E-mail) yrui918@126.com。

摘要：以丙烯酸乳液作為成膜物質(zhì)，加入合適的顏料和助劑，制備了一種水性可剝涂料。研究了乳液配比、顏料和剝離劑用量對(duì)漆膜性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)柔性丙烯酸乳液和硬質(zhì)丙烯酸乳液配比為2∶1、顏基比為0.6、剝離劑用量為1.0%時(shí)，所制涂膜綜合性能較好。其剝離強(qiáng)度適中，在耐水、耐高低溫、耐紫外老化、耐候性等方面表現(xiàn)出色，完全滿足戶外全天候的使用要求。

關(guān)鍵詞：水性可剝涂料；丙烯酸乳液；顏料；剝離劑；耐候性

First-author’s address: Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China

可剝涂料是一種涂覆在基材表面用于隔絕侵蝕介質(zhì)，避免其在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中受到刮擦、劃傷、酸雨侵蝕、日光老化、污染等的材料。它可為各種表面提供保護(hù)[1-4]，包括漆面(如飛機(jī)、汽車(chē)、家電及各種儀器)、塑料、橡膠、金屬、玻璃等，且使用完可方便地從被保護(hù)表面剝離。要能在全天候條件下使用，可剝涂層必須滿足如下技術(shù)要求[5]：(1)長(zhǎng)時(shí)間雨淋不溶脹，不起泡；(2)光照老化后仍保持可剝離性；(3)夏天長(zhǎng)時(shí)間戶外暴曬后，與漆膜不粘結(jié)、不變色；(4)冬季長(zhǎng)時(shí)間冷凍不開(kāi)裂；(5)氣候反復(fù)變化時(shí)保持可剝離性能。最初的可剝涂料為溶劑型，近年來(lái)隨著國(guó)家環(huán)保要求提高，其逐漸轉(zhuǎn)向水性環(huán)保型[6-7]。

本文將2種丙烯酸乳液復(fù)配作為成膜樹(shù)脂，再加入合適的顏料和助劑，制備了一種水性可剝涂料，然后全面測(cè)試了其耐水性、耐光照老化性、耐高低溫性和耐候性。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 原料與儀器

柔性丙烯酸乳液A、硬質(zhì)丙烯酸乳液B、流平劑RM-2020PN，羅門(mén)哈斯；鈦白粉R-930(金紅石型)，日本石原；消泡劑、潤(rùn)濕分散劑，BYK；增稠劑UH-420，日本ADEKA；防霉劑，北京桑普生物化學(xué)技術(shù)有限公司；剝離劑，自制[8]。

CMT-4104電子萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)MTS公司；QUV紫外光加速老化試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Q-Lab公司；分散機(jī)，江陰市雙豐化工機(jī)械有限公司；砂磨機(jī)，合肥華派機(jī)電有限公司。

1. 2 涂料的制備

在容器中依次加入水、潤(rùn)濕分散劑、流平劑、增稠劑和防霉劑，攪拌均勻；然后加入鈦白粉，攪拌均勻后通過(guò)砂磨機(jī)研磨至細(xì)度小于50 μm，得到顏料漿；調(diào)節(jié)分散機(jī)轉(zhuǎn)速為300 ～ 500 r/min，在顏料漿中依次加入丙烯酸乳液A、B，剝離劑和消泡劑，攪拌10 ～ 20 min即可。

1. 3 漆膜的制備

取100 mm × 100 mm × (2 ～ 3) mm表面干凈的汽車(chē)車(chē)身漆面板，用水沖洗干凈，吹干備用。按GB/T 1727－1992《漆膜一般制備法》以噴涂的方式制備漆膜，膜厚控制在150 ～ 200 μm。

1. 4 性能測(cè)試

涂料的各項(xiàng)性能檢測(cè)方法及技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水性可剝涂料的性能檢測(cè)方法及技術(shù)指標(biāo)Table 1 Performance test methods and technical indexes for water-based strippable paint

2 結(jié)果與討論

2. 1 涂料的研制

2. 1. 1 成膜樹(shù)脂的選擇與配比

目前，制備水性可剝涂料的成膜樹(shù)脂有丙烯酸、聚氨酯、聚乙烯醇、有機(jī)硅樹(shù)脂等[9]，以丙烯酸乳液為成膜樹(shù)脂的可剝涂料在性價(jià)比方面表現(xiàn)出色。柔性丙烯酸乳液A是一種高性能彈性乳液，在常溫或低溫環(huán)境下具有優(yōu)異的斷裂伸長(zhǎng)率，能保證漆膜具有優(yōu)異的柔韌性和回復(fù)性，附著力較高，但硬度較低。硬質(zhì)丙烯酸乳液B是一種高性能剛性乳液，玻璃化溫度較高，可為漆膜提供良好的強(qiáng)度和硬度，但附著力低，剝離方便。本文將二者按比例復(fù)配后優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可得到硬度和附著力兼具的涂膜。

對(duì)2種乳液按不同配比制備的漆膜進(jìn)行剝離試驗(yàn)，并使用拉力機(jī)測(cè)試剝下漆膜的性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 乳液配比對(duì)漆膜機(jī)械性能的影響Table 2 Effect of mass ratio of emulsions on mechanical properties of the film

從表2可見(jiàn)，當(dāng)柔性樹(shù)脂A的比例較高時(shí)，涂膜的附著力偏大，剝離時(shí)涂膜容易拉伸，不易剝離；當(dāng)硬樹(shù)脂B的比例較高時(shí)，乳液的剛性增加，涂膜的硬度過(guò)大，柔韌性過(guò)低，剝離時(shí)涂膜容易斷裂成碎片。可見(jiàn)無(wú)論是硬樹(shù)脂還是軟樹(shù)脂，用量過(guò)多都無(wú)法得到理想的可剝涂膜。只有將軟硬樹(shù)脂按合適比例復(fù)配后，才可得到硬度和附著力適中的涂膜。當(dāng)m(A)∶m(B) = 2∶1或1∶1時(shí)，涂膜的剝離強(qiáng)度適中，能夠從漆面板上完整剝離，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率也都較大。考慮到后續(xù)添加剝離劑會(huì)進(jìn)一步降低涂膜剝離強(qiáng)度，選擇柔性樹(shù)脂A與硬樹(shù)脂B的質(zhì)量比為2∶1。

2. 1. 2 顏料的用量

顏料在涂料中的作用不僅僅是色彩和裝飾性，合適的顏料還可以改善涂膜的物理化學(xué)性能，如提高其機(jī)械強(qiáng)度、耐光性、耐候性等?？蓜兺苛系膽?yīng)用廣泛，被保護(hù)基材可能會(huì)長(zhǎng)期存放于戶外，因此選擇顏料不僅要考慮其裝飾性，而且要考慮其耐候性。鈦白粉是最重要的白色顏料，特別是金紅石型鈦白粉，結(jié)構(gòu)致密，在耐候性和抗粉化方面表現(xiàn)優(yōu)異。選擇金紅石型鈦白粉作為顏料，調(diào)節(jié)顏基比在0.2 ～ 1.0之間，考察了顏料用量對(duì)漆膜性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 顏基比對(duì)漆膜機(jī)械性能的影響Table 3 Effect of the pigment-to-binder ratio on mechanical properties of the film

從表3可知，隨著顏基比增大，漆膜的拉伸強(qiáng)度逐漸升高，說(shuō)明顏料對(duì)漆膜有補(bǔ)強(qiáng)作用；同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低，顏基比為0.8時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率已比較低；隨著顏料用量增加，漆膜的剝離強(qiáng)度先增加后逐漸減小。因?yàn)榧尤腩伭蠝p少了漆膜在干燥過(guò)程中的收縮程度，從而提高了漆膜的附著力，所以最開(kāi)始剝離強(qiáng)度增大。而當(dāng)顏料在體系中超過(guò)一定量后，漆膜與基材接觸的一部分樹(shù)脂被顏料所取代，降低了漆膜對(duì)基材的附著力，因此后來(lái)剝離強(qiáng)度又降低。顏基比為0.8和1.0時(shí)，雖然拉伸強(qiáng)度高、剝離強(qiáng)度低，但由于顏料較多，漆膜的斷裂伸長(zhǎng)率較低，在剝離時(shí)容易發(fā)生破損。綜合考慮各性能指標(biāo)，選取顏基比為0.6。

2. 1. 3 剝離劑的選擇與用量

漆膜要能夠輕松完整地剝離，不僅要有較高的強(qiáng)度，而且與基材的附著力要適中，既能黏附在基材上，不會(huì)輕易脫落，又可在需要?jiǎng)冸x時(shí)成片完整地剝離。上述顏基比為0.6的配方所得漆膜的剝離強(qiáng)度仍偏高，因此考慮添加剝離劑進(jìn)一步降低漆膜與基材的附著力。常用的剝離劑有高級(jí)脂肪酸酯、脂肪酸鹽、蠟以及表面活性劑等，表面活性劑能明顯地降低漆膜與基材的附著力，但一般會(huì)帶來(lái)漆膜耐水性顯著下降的問(wèn)題。添加蠟粉或蠟乳液也能夠改善漆膜的可剝性，但容易導(dǎo)致漆膜變脆或蠟粉在基材表面殘留。本文選用一種脂肪酸的銨鹽作為剝離劑，它的水溶性好，添加方便，且成膜后會(huì)在空氣中緩慢分解，不會(huì)造成干膜的耐水性下降。剝離劑用量對(duì)漆膜180°剝離強(qiáng)度的影響如表4所示。

表4 剝離劑用量對(duì)漆膜機(jī)械性能的影響Table 4 Effect of the dosage of stripper on mechanical properties of the film

由表4可知，隨著剝離劑用量增加，漆膜的剝離強(qiáng)度逐漸降低；同時(shí)其拉伸強(qiáng)度也逐漸降低，斷裂伸長(zhǎng)率升高，說(shuō)明加入剝離劑對(duì)漆膜的強(qiáng)度有一定的減弱。綜合考慮，選取剝離劑的用量為1.0%。

2. 2 涂膜性能測(cè)試

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)60.0%的丙烯酸復(fù)配乳液[m(A)∶m(B) = 2∶1]、鈦白粉(顏基比0.6)、1.0%剝離劑、0.1%消泡劑、1.0%增稠劑、1.5%潤(rùn)濕分散劑、0.1%防霉劑和0.3%流平劑混合均勻，制得水性可剝離涂料，并測(cè)試了其綜合性能。

2. 2. 1 耐水性

將試片浸泡在(23 ± 2) °C的水槽中考察漆膜的耐水性，結(jié)果如表5及圖1所示。由圖1可見(jiàn)，浸泡15 d后，漆膜仍然保持完好；30 d后，漆膜部分區(qū)域有鼓泡，但未從基材表面脫落，且拿出水槽干燥后仍具有可剝性。

2. 2. 2 耐高低溫性

將試片放置在70 °C烘箱及?30 °C低溫試驗(yàn)箱中，考察漆膜的耐高低溫性能，結(jié)果如表6所示。

表5 漆膜浸水不同時(shí)間后的機(jī)械性能Table 5 Mechanical properties of the film immersed in water for different time

圖1 漆膜浸水不同時(shí)間后的形貌照片F(xiàn)igure 1 Photos showing the appearance of the film after immersing in water for different time

表6 漆膜在70 °C和?30 °C下放置不同時(shí)間后的機(jī)械性能Table 6 Mechanical properties of the film placed at 70 °C and ?30°C for different time

從表6可見(jiàn)，在70 °C烘箱中放置0.5 h后，漆膜就具有很好的可剝性，加熱6 h后，漆膜已具有很好的拉伸強(qiáng)度。隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)，拉伸強(qiáng)度的變化不大。整體來(lái)看，隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)，漆膜的剝離強(qiáng)度略有增加，但即使在70 °C烘箱中放置60 d后，漆膜仍然保持良好的可剝性。而漆膜在?30 °C放置30 d后，斷裂伸長(zhǎng)率有所降低，拉伸強(qiáng)度及剝離強(qiáng)度變化不大，可剝性仍很好。

2. 2. 3 耐候性

依據(jù)GB/T 23987－2009《色漆和清漆 涂層的人工氣候老化曝露 曝露于熒光紫外線和水》設(shè)置參數(shù)，采用UVA-340燈管，按方法A將試片曝露在紫外老化箱中；另準(zhǔn)備試片，放置在戶外環(huán)境中，考察漆膜的耐候性，結(jié)果如表7及圖2所示。從圖2可見(jiàn)，放置一年后，漆膜仍保持完好(戶外12個(gè)月所示的漆膜兩側(cè)破損是由于固定夾具所致，其他地方并無(wú)破損)。從表7可知，無(wú)論是紫外加速老化30 d，還是戶外達(dá)一年的長(zhǎng)期放置，漆膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、剝離強(qiáng)度等指標(biāo)變化并不大，仍保持良好的可剝性。

表7 漆膜在紫外老化箱和戶外放置不同時(shí)間后的機(jī)械性能Table 7 Mechanical properties of the film placed in UV aging test chamber and outdoor for different time

圖2 漆膜在戶外放置不同時(shí)間后的外觀照片F(xiàn)igure 2 Photos showing the appearance of the film placed outdoor for different time

3 結(jié)論

選擇柔性丙烯酸乳液與硬質(zhì)丙烯酸乳液復(fù)配作為成膜樹(shù)脂，金紅石型鈦白粉作為顏料，脂肪酸的銨鹽作為剝離劑，制備了水性可剝涂料。當(dāng)柔性乳液與硬質(zhì)乳液的質(zhì)量比為2∶1，顏基比為0.6，剝離劑為1.0%時(shí)，漆膜的性能指標(biāo)能達(dá)到要求，具有很好的綜合性能，特別適用于基材的長(zhǎng)期防護(hù)。

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[ 編輯：杜娟娟 ]

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Preparation and properties of water-based strippable coating

YANG Rui*, YUAN Ling, LIU Hu, XIN Yan, CAO Wen-jian

Abstract:A water-based strippable protective coating was prepared using acrylic emulsions as binder with a suitable amount of pigment and additives. The effects of the proportions of emulsions as well as the dosages of pigment and stripper on the performance of the cured film were studied. The results indicated that the coating prepared based on 2:1 soft acrylic emulsion and hard acrylic emulsion with 1.0% stripper at a pigment-to-binder ratio of 0.6 has a good comprehensive performance, as shown by a suitable peeling strength and good resistance to water, high and low temperatures, ultraviolet aging and weather, meeting the requirement of all-weather use.

Keywords:water-based strippable coating; acrylic emulsion; pigment; stripper; weather resistance

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ630.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004 － 227X (2016) 02 － 0053 － 05

作者簡(jiǎn)介：楊瑞（1985–），男，湖北仙桃人，工程師，研究方向?yàn)橥苛稀⑼繉蛹胺栏?/p>

收稿日期：2015－09－12 修回日期：2015－09－19