摘要: 研究了高耐候亞光透明粉末涂料配方的消光體系、樹脂的耐候性、消光劑的種類、流平劑的透明度、紫外線吸收劑對(duì)耐候性的影響，以及潛伏性促進(jìn)劑的使用，制備了適用于汽車鋁輪轂罩光用亞光透明粉末涂料。
研究了其在汽車鋁輪轂涂裝中的施工性和應(yīng)用效果。還研究了汽車鋁輪轂罩光用亞光透明粉末涂料與高光丙烯酸型透明粉末涂料的兼容狀況和烘烤溫度適應(yīng)性。
最終制備了可以和高光環(huán)氧基丙烯酸透明粉末涂料共用生產(chǎn)線的亞光透明粉末涂料。
依據(jù)汽車鋁輪轂罩光用粉末涂料各項(xiàng)指標(biāo)要求，該涂料綜合性能相當(dāng)，且在健康環(huán)保、節(jié)能、成本和貯存穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢(shì)。
溶劑型涂料VOC排放對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染以及不可再生資源的耗費(fèi)已成為世界上各個(gè)國(guó)家十分關(guān)注的問題，開發(fā)環(huán)保型涂料是21 世紀(jì)涂料行業(yè)的重要研究方向。
目前，鋁輪轂罩光用透明粉末涂料大多是高光澤透明粉末涂料，是由環(huán)氧基丙烯酸為基體制成，罩光后鋁輪轂表面形成高光澤的鏡面效果。
隨著人們欣賞觀念的變化，市場(chǎng)上出現(xiàn)了對(duì)鋁輪轂罩光用亞光透明粉末涂料的需求，在鋁輪轂的涂裝中出現(xiàn)了一種新的涂裝工藝，即“鋁輪轂底粉—色漆—精車—亞光高耐候透明粉”工藝。
該工序需要亞光透明粉末涂料具有極好的流平性、高透明度、高耐候性以及高耐腐蝕性。
本研究比較了4種體系耐候性亞光透明粉末涂料性能的差異性，并解決了亞光透明粉末涂料與高光丙烯酸型粉末涂料不能兼容的問題。
解決了亞光透明粉末涂料在180℃低溫下的耐水性問題，從而解決了亞光透明粉末涂料與高光丙烯酸透明粉末涂料的共線施工問題。
1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原材料
雙組分共混消光飽和羧基聚酯樹脂A/a、B /b、C /c、D/d，端羧基聚酯樹脂F(xiàn)，高/低羥值羥基樹脂G/g:工業(yè)級(jí)，廣州擎天材料科技有限公司;
進(jìn)口超耐候聚酯樹脂E:工業(yè)級(jí)，DSM 公司; 丙烯酸消光樹脂:工業(yè)級(jí)，十盈;TGIC:工業(yè)級(jí)，鞍山潤(rùn)德精細(xì)化工有限公司; 封閉異氰酸酯:工業(yè)級(jí)，贏創(chuàng); 有機(jī)硅類流平劑:工業(yè)級(jí)，BYK; 丙烯酸酯類流平劑:工業(yè)級(jí)，TＲOY; 苯并三氮唑類紫外線吸收劑、受阻胺類光穩(wěn)定劑:工業(yè)級(jí)，原汽巴(Ciba)公司; 疏水性二氧化硅:工業(yè)級(jí)，贏創(chuàng); 消光劑A9:工業(yè)級(jí)，澤和公司; 苯偶姻:工業(yè)級(jí)，市售。
1.2 主要設(shè)備
Φ30型雙螺桿擠出機(jī):SLJ－30，東輝;ACM 磨粉系統(tǒng):進(jìn)口;小型靜電噴涂設(shè)備:GM02，金馬。
1.3 粉末涂料及涂層制備
按預(yù)設(shè)配方稱取各原料，用萬能中藥粉碎機(jī)預(yù)混合后使用雙螺桿擠出機(jī)在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)熔融擠出，擠出片料經(jīng)過冷卻、粉碎、過篩、靜電噴涂、熱固化成膜，最后測(cè)試涂膜性能。
1.4 性能測(cè)試
按GB/T 9754—2007 測(cè)定涂膜的光澤; 按GM 9071P—2002 測(cè)定涂膜的附著力; 按GB/T 1732—1993 測(cè)定涂膜的耐沖擊性，將1kg 重物從50cm 高度落下，涂膜無破壞，視為通過; 按GM 4476P—2010進(jìn)行涂膜的CASS 鹽霧實(shí)驗(yàn);按GB/T 1733—1993 測(cè)定涂膜的耐水性; 按GM 9125P—2013 測(cè)定涂膜的耐老化性; 用目測(cè)方法判定涂膜的外觀和透明度。
2、結(jié)果與討論
2.1 耐候性亞光粉末涂料體系
耐候性亞光粉末涂料可以分為雙組分純聚酯干混消光體系、純聚酯/TGIC 物理消光體系、聚酯/環(huán)氧基丙烯酸體系、聚氨酯高低羥值消光體系等。
2.1.1 雙組分純聚酯干混消光體系
將反應(yīng)較快的高酸值組分與反應(yīng)較慢的低酸值組分干混，通過二者固化速度的差異形成微觀上不相容的表面，從而獲得消光效果。
(1)聚酯樹脂
因汽車鋁輪轂罩光用粉末涂料超耐候、高流平、高透明度的特性，故聚酯樹脂需要具備超高的耐候性、高流平性、較好的透明度，且不帶色相。
高酸值樹脂一般選擇酸值為45～55mgKOH/g的樹脂，本實(shí)驗(yàn)選擇雙組分飽和羧基聚酯樹脂超耐候聚酯A～C及普通聚酯D。
低酸值樹脂一般選擇酸值為20～25mgKOH/g的樹脂，本實(shí)驗(yàn)選擇雙組分飽和羧基聚酯樹脂超耐候聚酯a～c及普通聚酯d。
甲組分與乙組分質(zhì)量比為1∶1，其中甲組分為由高酸值樹脂與TGIC以質(zhì)量比90∶10制得;乙組分由低酸值樹脂與TGIC以質(zhì)量比95∶5制得。不同聚酯樹脂制備的粉末涂層性能見表1。
由表1可以知道，若樹脂的反應(yīng)活性過大，涂層易出現(xiàn)橘皮;若反應(yīng)活性較小，則涂層的機(jī)械性能差，因此宜選擇中等活性(膠化時(shí)間優(yōu)選120～200s) 的高酸值樹脂。
普通雙組分干混消光樹脂的耐候性較差，達(dá)不到輪轂涂裝的要求( 一般要求氙燈老化1200h后保光率60%以上)，宜選擇中等活性的超耐候雙組分聚酯樹脂作為鋁輪轂罩光用亞光透明粉末涂料的基體樹脂。
(2)流平劑
流平劑對(duì)粉末涂層性能的影響見表2。
丙烯酸酯類流平劑的載體多為二氧化硅、碳酸鈣等，但是以這2 類物質(zhì)為載體的流平劑在一定程度上會(huì)影響粉末涂料的透明度，在透明粉末涂料中需選用透明物質(zhì)作為丙烯酸酯類流平劑的載體。
從表2 可以看出，汽車鋁輪轂罩光用粉末涂料宜采用線型樹脂聚合物為主體的丙烯酸酯類流平劑，不僅可以促進(jìn)涂膜的流動(dòng)和流平，還不會(huì)影響涂膜的層間附著力，并且還有消泡的作用。
當(dāng)透明載體丙烯酸酯流平劑用量在0.8%時(shí)，涂層稍有橘皮，未達(dá)到流平效果; 當(dāng)流平劑用量在1.5%左右時(shí)流平佳，故選擇用量在1.5%左右。
(3)紫外線吸收劑與光穩(wěn)定劑
雙組分純聚酯干混消光體系的耐候性不及丙烯酸透明粉末體系，通常汽車鋁輪轂罩光用透明粉末涂料必須具備高耐候性能，故在實(shí)際使用中常常需要添加紫外線吸收劑與光穩(wěn)定劑來彌補(bǔ)耐候性的不足。
實(shí)驗(yàn)添加苯并三氮唑類紫外線吸收劑搭配受阻胺類光穩(wěn)定劑來提高涂層的耐候性。實(shí)驗(yàn)考察了不同紫外線吸收劑與光穩(wěn)定劑的用量對(duì)涂層耐候性的影響，見表3。
由表3可以看出，紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑添加量在0. 5%～0. 8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，涂層的耐候性達(dá)到一個(gè)峰值，再增加兩者用量時(shí)，涂層耐候性沒有明顯的增加，故兩者添加量適宜在0.5%～0.8%的范圍。
(4)疏水性二氧化硅
CASS鹽霧實(shí)驗(yàn)是透明粉末涂料一項(xiàng)重要的耐腐蝕性指標(biāo)，本研究發(fā)現(xiàn)通過添加一定量疏水性二氧化硅可以提高涂層的疏水性，進(jìn)而提高涂層的抗銅加速的乙酸鹽霧性能，結(jié)果如表4所示。
由表4可以看出，當(dāng)疏水性二氧化硅用量為1 %時(shí)涂層的綜合性能最佳，添加量過多，涂層的透明度受到影響。
(5)推薦配方
綜上分析，實(shí)驗(yàn)得出雙組分純聚酯干混消光透明粉末涂料推薦配方如表5所示。
2.1.2 純聚酯/TGIC物理消光體系
(1)聚酯樹脂
汽車鋁輪轂罩光用透明粉末涂料為輪轂表層涂層，需要有超高耐候性，因此在選擇樹脂的時(shí)候需要選用超耐候純聚酯樹脂作為基體樹脂，另外兼顧涂層的流平性。
(2)消光物質(zhì)
消光填料比樹脂密度大，容易導(dǎo)致機(jī)械性能大大降低，故采用此方法不能將光澤降得很低。
另外，含催化劑的反應(yīng)性消光劑會(huì)降低涂層平整度，故宜選用不含反應(yīng)基團(tuán)的消光蠟來實(shí)現(xiàn)物理消光。表6考察了不同消光物質(zhì)對(duì)亞光透明粉末涂料涂層性能的影響。
(3)推薦配方
綜上分析，適合汽車鋁輪轂罩光用的聚酯/TGIC物理消光型亞光透明粉末配方見表7。
2.1.3 聚酯/環(huán)氧基丙烯酸體系
主要由端羧基聚酯樹脂和含有環(huán)氧基團(tuán)的丙烯酸樹脂組成，加入各種合適的助劑，經(jīng)熔融混合，冷卻粉碎及過篩得到一種耐候低光粉末涂料。參考配方如表8所示。
2.1.4 聚氨酯高低羥值消光體系
聚氨酯粉末涂料通過羥基聚酯樹脂與封閉異氰酸酯固化而得到，采用高羥值樹脂、低羥值樹脂與封閉異氰酸酯反應(yīng)速率的不同而制得消光粉末涂料。
因?yàn)轶w系中存在2種不同反應(yīng)速率的固化體系，打破了涂層在熔融固化時(shí)的均一化，可獲得不平整的涂層表面，達(dá)到消光的目的。參考配方如表9所示。
通過調(diào)整配方中高、低羥值樹脂的比例，得到適合的光澤，制得光澤為10～50的亞光或低光的罩光透明粉末。
2.1.5 各體系性能之間的比較
雖然幾個(gè)體系均能制得亞光透明粉末涂料，但是各體系得到的涂層性能差異較大，在200℃下固化10min，得到的涂層性能見表10。4種體系CASS 鹽霧實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果見圖1，其中每種體系進(jìn)行2次平行實(shí)驗(yàn)。
從表10可得:
(1)光澤方面:雙組分純聚酯干混消光體系和純聚酯/TGIC 物理消光體系適合光澤為40～60的中亞光粉末涂料;聚酯/環(huán)氧基丙烯酸體系適合光澤為10～20的低光澤粉末涂料;聚氨酯高低羥值消光體系適合光澤為20～40的亞光粉末涂料。
(2)透明度方面:雙組分純聚酯干混消光體系和聚氨酯高低羥值消光體系透明度佳，聚酯/環(huán)氧基丙烯酸體系和純聚酯/TGIC 物理消光體系透明度較差，汽車鋁輪轂罩光用透明粉末涂料一般要求透明度極佳，故優(yōu)選雙組分純聚酯干混消光體系和聚氨酯高低羥值消光體系。
(3)機(jī)械性能方面:在200℃以上固化條件下，4種類型的粉末達(dá)到較高的固化度，但是在180℃以下固化條件，雙組分純聚酯干混消光體系表現(xiàn)較好，聚氨酯高低羥值消光體系和聚酯/環(huán)氧基丙烯酸體系180℃以下固化時(shí)機(jī)械性能較差。
(4)耐腐蝕性方面:雙組分消光聚酯樹脂體系和聚氨酯高低羥值消光體系耐腐蝕性佳，聚酯/環(huán)氧基丙烯酸體系透明度稍差。
(5)耐候性方面:聚酯/丙烯酸消光體系、聚氨酯高低羥值消光體系相對(duì)較好。
由圖1可以看出，雙組分消光聚酯樹脂體系和聚氨酯高低羥值消光固化體系耐腐蝕性佳，聚酯/環(huán)氧基丙烯酸體系透明度稍差。
綜上，雙組分純聚酯干混消光體系在透明度、耐腐蝕性、機(jī)械性能等方面性能較佳，適合汽車鋁輪轂涂裝，下面主要討論雙組分純聚酯干混消光體系在汽車鋁輪轂涂裝上的應(yīng)用。
2.2 亞光透明粉末涂料在汽車鋁輪轂上的應(yīng)用研究
2.2.1 鋁輪轂涂裝工藝
鋁輪轂涂裝分為全涂裝工藝和精車輪型工藝。全涂裝型鋁輪轂涂裝工藝:前處理—噴涂底粉—噴涂色漆—噴涂亞光透明粉—鋁輪轂成品。
精車鋁輪轂涂裝工藝:前處理—噴涂底粉—噴涂色漆—精車工藝—前處理—噴涂亞光透明粉—鋁輪轂成品。
(1)基材前處理
為了保證涂層的耐腐蝕性，鋁輪轂表面需用噴淋室噴淋的方式經(jīng)過前處理液前處理。前處理工序大致為:水洗—酸洗脫脂—水洗—堿洗—水洗—無鉻鈍化—水洗，其中酸洗是為了除去鋁基材的油脂，以免影響涂層附著力。
堿洗是為了除去鋁基材表面氧化層。鋁輪轂用鈍化液主要是無鉻鈍化類型，沒有重金屬鉻，大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。
經(jīng)過噴淋前處理后，經(jīng)過烘烤爐烘烤，一般在100～120℃下烘烤5～10min。
(2)噴涂底粉
經(jīng)過前處理的鋁輪轂經(jīng)過鏈條運(yùn)輸，到達(dá)噴涂車間噴涂鋁輪轂底粉。采用靜電噴涂方法，流平極佳的鋁輪轂底粉良好地涂覆到鋁輪轂粗糙表面，經(jīng)過烘烤爐烘烤，將凸凹不平的鋁輪轂毛坯變?yōu)殓R面流平效果。
(3)噴涂色漆
噴涂底粉后的鋁輪轂經(jīng)過打磨處理，進(jìn)入色漆噴涂車間，噴涂色漆，經(jīng)過固化爐烘烤，得到涂覆有色漆的鋁輪轂。
(4)精車加工
對(duì)于一些套色輪型，往往需要經(jīng)過精車工藝，將表層的部分區(qū)域涂層在車削加工車間精車處理，得到精車毛坯鋁輪轂，如圖2所示。
(5)罩光涂覆亞光透明粉末
經(jīng)過精車加工之后，鋁輪轂產(chǎn)品再經(jīng)過前處理生產(chǎn)線，經(jīng)過“水洗—酸洗脫脂—水洗—堿洗—水洗—無鉻鈍化—水洗”一系列前處理后，到達(dá)罩光透明粉末涂覆車間，經(jīng)過靜電噴涂，然后烘烤成為鋁輪轂成品，如圖3所示。
噴涂時(shí)宜采用靜電噴涂，亞光透明粉末涂料沒有添加無機(jī)顏填料，成分均為有機(jī)材料，帶電性較好，因此噴涂電壓不宜太大，否則容易出現(xiàn)靜電花，影響外觀流平性。
噴涂工藝參數(shù)如表11所示。鋁輪轂罩光用透明粉末涂料通常在180℃下固化10～15min。
2.2.2 低溫固化問題探究
為了節(jié)約成本，若與丙烯酸透明粉末涂料共線，一般要求鋁輪轂罩光涂層烘烤溫度為160～180 ℃。
而一般情況下雙組分純聚酯干混消光體系適合180～200℃固化，固化溫度低時(shí)，涂層的交聯(lián)密度不夠，涂層經(jīng)耐水性測(cè)試后，放置一段時(shí)間表面出現(xiàn)微裂紋，影響到涂層的性能和外觀。
因此在鋁輪轂涂裝中，需添加促進(jìn)劑使涂層可以在相對(duì)較低的溫度下固化，提高涂層在相對(duì)較低溫度下的固化度。
實(shí)驗(yàn)選擇高酸值的超耐候聚酯樹脂B與低酸值的超耐候聚酯樹脂b進(jìn)行搭配，考察了不同促進(jìn)劑(用量范圍在0.1%～1%)對(duì)粉末涂料涂層性能的影響，結(jié)果如表12和圖4所示。
常規(guī)的咪唑類促進(jìn)劑雖然可以在一定程度上提高涂層的耐水性，但是會(huì)影響涂層外觀流平，不符合鋁輪轂涂裝要求;本研究采用促進(jìn)劑b(一種羧基類聚酯潛伏性促進(jìn)劑)。
這種促進(jìn)劑可以在涂料熔融固化過程中慢慢釋放有效反應(yīng)基團(tuán)，在一定程度上控制了體系的固化速率，可以在實(shí)現(xiàn)低溫固化的同時(shí)一定程度上保有涂層的流平性能。
針對(duì)雙組分純聚酯干混消光體系，在170℃/15min的固化條件下，考察了潛伏性促進(jìn)劑添加量對(duì)涂層性能的影響，結(jié)果見表13。
由表13可以知道，羧基潛伏性促進(jìn)劑適合添加量為0.5%～0.8%，既可以實(shí)現(xiàn)在低溫下充分固化，又可以極大程度地保持涂層的流平性。
2.2.3 兼容性問題探究
一般丙烯酸體系粉末涂料表面張力很小，對(duì)純聚酯體系粉末涂料干擾性很大，會(huì)造成純聚酯粉末涂料表面大量縮孔，嚴(yán)重影響涂層的外觀，故一般丙烯酸體系透明粉末必須與純聚酯粉末完全隔離。
為了完成亞光透明粉末涂料的罩光涂覆，必須建新的生產(chǎn)線來噴涂，而這樣鋁輪轂制造廠家需要極大的成本投入，因此若能實(shí)現(xiàn)亞光透明粉末涂料與常規(guī)高光丙烯酸透明粉末涂料共線，將節(jié)約大量的設(shè)備投入成本。
本研究采用了一種氨基改性聚酯類流平劑，與2種體系均有適度的相容性，流平劑中的烷基支鏈遷移至涂層表面，增加了涂料在涂層表面的定向分子排布，極大地改善丙烯酸體系和雙組分純聚酯干混消光體系的兼容狀況，解決了兩者共線的縮孔問題。
將高光丙烯酸透明粉末涂料與雙組分純聚酯干混消光體系透明粉末涂料按不同的質(zhì)量比進(jìn)行混合，然后進(jìn)行噴涂，在180℃下固化20min，制得的樣板表面都很平整，沒有出現(xiàn)縮孔、橘皮等缺陷，可知兩者兼容狀況良好，如圖5所示。
3、結(jié)語(yǔ)
根據(jù)汽車鋁輪轂涂裝要求，考察了亞光透明粉末涂料的消光體系、樹脂耐候性和透明度、流平劑的種類以及潛伏性促進(jìn)劑的使用對(duì)涂層性能的影響。
研究了雙組分純聚酯干混消光透明粉末涂料與高光丙烯酸透明粉末涂料的共線工藝，解決了兩者共線的兼容性問題，提升了國(guó)內(nèi)汽車鋁輪轂涂裝行業(yè)綠色涂料制造與涂裝技術(shù)的進(jìn)步，降低了國(guó)內(nèi)在汽車零部件制造領(lǐng)域的生產(chǎn)成本。
文章轉(zhuǎn)自：粉末登場(chǎng)
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