水性仿金屬塑料漆的研制

李卓麟，梁亮，*，江建東，陳龍

（1.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東德麗雅漆業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 510507）

水性仿金屬塑料漆的研制

李卓麟1，梁亮1，*，江建東2，陳龍2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東德麗雅漆業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 510507）

以水性乳液為成膜物，鋁粉、銅金粉為效應(yīng)顏料，制備了用于塑料表面涂裝的水性仿金屬漆?？疾炝藰渲?、效應(yīng)顏料、防沉劑的種類及用量對(duì)涂料綜合性能的影響。結(jié)果表明，采用自制單組分自交聯(lián)丙烯酸乳液B為成膜基料，效應(yīng)顏料分別采用鋁粉漿XH330和銅金粉K且用量均為8%，水性蠟乳液F為防沉劑時(shí)，所得銀粉漆和金粉漆具有較好的貯存穩(wěn)定性，其漆膜附著力達(dá)到0級(jí)，鉛筆硬度達(dá)到3H，顯示了良好的仿金屬外觀效果。

仿金屬漆；水性塑料涂料；丙烯酸乳液；鋁粉；銅金粉；貯存穩(wěn)定性

First-author’s address: School of Chemistry and Chemical Technology， Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006， China

隨著生活水平不斷提高，人們?cè)絹?lái)越青睞于具有豪華金屬質(zhì)感的裝飾。仿金屬塑料漆的出現(xiàn)緩解了人們對(duì)金屬質(zhì)感的追求與金屬資源緊張這一矛盾。此類涂料可賦予塑料金屬般的外觀和質(zhì)感，既用質(zhì)輕廉價(jià)的塑料制品替代了金屬材質(zhì)，又滿足了人們對(duì)華貴的金屬效果的追求，深受大眾喜愛［1］。目前市面上塑料涂料以溶劑型為主，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，能耗大［2］，因此環(huán)境友好型水性塑料涂料的開發(fā)和應(yīng)用勢(shì)在必行。據(jù)報(bào)道，全球每年水性塑料涂料的需求量以大于10%的速度遞增，美國(guó)塑料用水性涂料增長(zhǎng)達(dá)到17%［3］。

研制水性仿金屬塑料漆不僅要克服水性塑料涂料干燥速率慢、硬度低、抗刮傷性不佳、對(duì)塑料表面的附著力差等問題，而且水性涂料大多為弱堿性，容易腐蝕金屬效應(yīng)顏料，如以銅、鋅為主要原料的銅金粉易失去光澤、貯存不穩(wěn)定，鋁粉漿反應(yīng)生成氫氣使得涂料在貯存過程中出現(xiàn)脹桶等［4］。另外金屬顏料密度大，易沉降，會(huì)影響金屬漆的穩(wěn)定性。而金屬粒子在濕膜中能否規(guī)整排列也會(huì)影響漆膜的仿金屬效果。目前水性仿金屬塑料漆的研究還處于起步階段，鮮有研究成果公開報(bào)道。但隨著塑料制品大規(guī)模代替金屬材質(zhì)，對(duì)其表面進(jìn)行金屬化涂裝成為涂料工作者關(guān)注的重點(diǎn)［5］。本文在已開發(fā)的高性能自交聯(lián)水性樹脂的基礎(chǔ)上研制了一種可應(yīng)用在PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二酯）、PVC（聚氯乙烯）等塑料上的水性仿金屬漆，并深入討論了制備過程中的一些基本問題，為使塑料在一定程度上代替金屬和降低VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放進(jìn)行了有益的探索。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料與儀器

水性鋁粉漿6730、銅金粉U35，工業(yè)級(jí)，海灣化工；水性鋁粉漿XH330，工業(yè)級(jí)，海信達(dá)鋁顏料；含羥基聚丙烯酸乳液A2470、水性聚異氰酸酯固化劑XP2655，工業(yè)級(jí)，Bayer公司；單組分水性丙烯酸樹脂1637，工業(yè)級(jí)，九維商貿(mào)有限公司；潤(rùn)濕分散劑Dispers655W、水性流變控制劑F，工業(yè)級(jí)，畢克；消泡劑FoamStarA34、流平劑Levelling620，工業(yè)級(jí)，海川化工；水性蠟乳液F，工業(yè)級(jí)，迪森；氣相二氧化硅，工業(yè)級(jí)，德固賽；單組分自交聯(lián)丙烯酸乳液B［6］、銅金粉K［7］、去離子水，自制；PET塑料板L701，凱本塑料薄膜有限公司。

SDF400實(shí)驗(yàn)分散砂磨機(jī)，常州市騰蛟機(jī)械廠；JB300-I型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，上海標(biāo)本模型廠；MG268-F2光澤度計(jì)，泉州科仕佳光電儀器有限公司；ZAHN蔡恩杯4#黏度計(jì)，廣州德滿億儀器有限公司；X-Rite-MA68 II型多角度分光光度儀，美國(guó)愛色麗公司。

1.2 涂料及其涂膜的制備

在帶有攪拌裝置的容器中按體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)（后同）依次加入0.30%潤(rùn)濕分散劑、15.0%去離子水和6.0% ～ 12.0%效應(yīng)顏料，在轉(zhuǎn)速300 r/min下混合，攪拌20 min得到效應(yīng)顏料漿。將75.0%丙烯酸酯乳液、0.2%消泡劑、0.2%流平劑、0.5%水性流變控制劑、1.5%防沉劑和補(bǔ)足余量的水混合，在轉(zhuǎn)速1 000 r/min下攪拌20 min，分散均勻后在300 r/min攪拌下加入分散好的效應(yīng)顏料漿，分散20 min即得水性仿金屬塑料漆。

按GB/T 1727-1992《漆膜一般制備法》在干凈的PET塑料板上進(jìn)行噴涂制樣，漆膜厚度控制在20 μm左右，（25 ± 5） °C下干燥7 d后備用。

1.3 性能檢測(cè)

1.3.1 涂料性能

按照GB/T 1721-2008《清漆、清油及稀釋劑外觀和透明度測(cè)定法》目測(cè)樣品的顏色、狀態(tài)、均勻程度、透明度等物理性質(zhì)。分別按GB/T 1725-2007《色漆、清漆和塑料 不揮發(fā)物含量的測(cè)定》和GB/T 6753.3-1986《涂料貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》測(cè)定樣品的固含量和貯存穩(wěn)定性。依據(jù)GB/T 1723-1993《涂料粘度測(cè)定法》用涂-4杯測(cè)定25 °C時(shí)樣品的黏度。

1.3.2 涂膜性能

分別按照GB/T 6739-2006《色漆和清漆 鉛筆法測(cè)定漆膜硬度》、GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》、GB/T 1743-1979（1989）《漆膜光澤測(cè)定法》和GB/T 1728-1979（1989）《漆膜、膩?zhàn)幽じ稍飼r(shí)間測(cè)定法》測(cè)試涂膜的鉛筆硬度、附著力、光澤和干燥時(shí)間。按GB/T 1733-1993《漆膜耐水性測(cè)定法》測(cè)涂膜的耐水性。用松香和石蠟的混合物密封涂膜后的基材邊緣以防浸水，然后放入水中浸泡，記錄涂膜泛白、起皺的時(shí)間。采用多角度分光光度儀分別測(cè)量涂膜在15°、45°和110°的光澤，即L15、L45和L110，代入式（1）計(jì)算金屬閃光指數(shù)FI。

2 結(jié)果與討論

水性仿金屬塑料漆要求漆膜在塑料表面附著力好，硬度和光澤較高，仿金屬效果較好，因此選擇可以滿足其性能要求的樹脂是一大難點(diǎn)。另外還需要考察配方中的主要原料以使金屬顏料能穩(wěn)定地定向排列于漆膜中，從而展示出優(yōu)異的金屬效果。本文討論了乳液、效應(yīng)顏料和助劑對(duì)水性仿金屬塑料漆性能的影響。

2.1 乳液對(duì)水性仿金屬塑料漆性能的影響

目前市場(chǎng)上可用于塑料制品的水性樹脂主要有丙烯酸、環(huán)氧、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸復(fù)合樹脂等，主要應(yīng)用在ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PET、PVC等表面［8］。本文主要針對(duì)PET和PVC類，分別以市售雙組分水性聚氨酯樹脂A、單組分水性丙烯酸樹脂1637和自制單組分自交聯(lián)丙烯酸乳液B為成膜物，在鋁粉漿XH330用量為8.0%，防沉劑為水性蠟乳液F，其他條件相同的情況下配制了仿金屬漆，其基本性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同乳液所制涂料及其涂膜的性能Table 1 Performance of the paints prepared with different emulsions and the coatings sprayed therewith

由表1可知，樹脂A所制涂料的使用有效期較短，這是因?yàn)樗珊挟惽杷狨セ鶊F(tuán)的固化劑和含羥基的聚丙烯酸乳液混合而成，活潑的異氰酸酯與羥基迅速發(fā)生反應(yīng)，不斷生成成膜物質(zhì)且交聯(lián)度持續(xù)增大，最后導(dǎo)致漆液凝固，不能繼續(xù)使用。樹脂B是利用堿性條件時(shí)自交聯(lián)單體中的乙酰乙酸基與氨基生成穩(wěn)定的烯胺結(jié)構(gòu)，成膜時(shí)隨著pH下降反應(yīng)逆向進(jìn)行，重新生成乙酰乙酸基并發(fā)生自交聯(lián)反應(yīng)，因此其制備的涂料貯存有效期相對(duì)較長(zhǎng)。

由樹脂B制備的水性仿金屬漆膜外觀呈現(xiàn)金屬銀色，光澤度和金屬閃光指數(shù)均高于樹脂A和樹脂1637所制漆膜。金屬閃光指數(shù)越高表示鋁粉粒子排列越規(guī)整，由此推斷金屬粒子在乳液B中定向排列效果更好，這是因?yàn)闃渲珺中帶有螯合基團(tuán)，該基團(tuán)通過螯合作用吸附于金屬粒子表面并將其包裹，所以能顯著推動(dòng)金屬粒子在濕膜中規(guī)整排列。樹脂B所制漆膜的硬度、附著力、耐水性等綜合性能優(yōu)異，使用有限期長(zhǎng)，具有較佳的金屬效果，因此選為本體系的成膜基料。

2.2 效應(yīng)顏料種類及用量對(duì)水性仿金屬塑料漆性能的影響

水性仿金屬漆之所以具有特殊的金屬效果，是因?yàn)樵谕苛现屑尤肓诵?yīng)顏料。在光線照射下效應(yīng)顏料通過有規(guī)律的反射、透射或干涉，達(dá)到隨角異色的效果［9］。水性仿金屬漆用鋁粉、銅金粉的選擇非常嚴(yán)格，本文選擇多種鋁粉和銅金粉為效應(yīng)顏料且用量均為8.0%，以水性蠟乳液F為防沉劑，其他條件一致，配制了幾種水性仿金屬塑料漆，其基本性能測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 效應(yīng)顏料種類對(duì)涂料性能的影響Table 2 Influence of the type of effect pigment on the performance of coating

從表2可知，在弱堿性的水性漆液體系中，鋁粉漿6730由于被腐蝕而產(chǎn)生了氫氣，造成貯存容器內(nèi)部壓力升高，出現(xiàn)脹桶現(xiàn)象，而且所制漆膜的光澤度也大大降低。鋁粉漿XH330制備的涂料有較好的貯存穩(wěn)定性且漆膜光澤較高。銅金粉U35由于被呈弱堿性的體系腐蝕，釋出Cu2+而使漆液呈藍(lán)色，并且導(dǎo)致漆膜光澤下降。銅金粉K經(jīng)過有機(jī)-無(wú)機(jī)雙重包覆處理［7， 10］，包覆層可以在腐蝕環(huán)境下有效保護(hù)銅金粉，所以可以穩(wěn)定使用。綜上，選定鋁粉XH330和銅金粉K分別作為銀粉漆和金粉漆的效應(yīng)顏料。

效應(yīng)顏料的用量必須恰當(dāng)，既要能夠遮蓋底材，又不能互相堆積，這樣才能有良好的仿金屬效果。以鋁粉漿XH330為效應(yīng)顏料，水性蠟乳液F為防沉劑，進(jìn)行了僅鋁粉用量不同的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表3可知，當(dāng)效應(yīng)顏料用量較少時(shí)，涂膜遮蓋力不足，需要噴涂多道來(lái)保證其遮蓋力，易造成浪費(fèi)。當(dāng)效應(yīng)顏料用量過多時(shí)，漆膜發(fā)黑，鉛筆硬度和附著力均有所下降。這是因?yàn)樾?yīng)顏料用量過多，金屬粒子容易相互團(tuán)聚，影響了其定向排列，導(dǎo)致漆膜發(fā)黑，間接表現(xiàn)為光澤度下降。另外顏料過多，其表面不能達(dá)到飽和吸附，空余點(diǎn)會(huì)造成顏料絮凝，體系穩(wěn)定性變差，附著力降低［11］。因此效應(yīng)顏料用量以8.0%為宜。

表3 效應(yīng)顏料用量對(duì)漆膜性能的影響Table 3 Influence of the content of effect pigment on the performance of coating

2.3 防沉劑對(duì)涂料性能的影響

由于效應(yīng)顏料密度大，隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，混合在乳液及水中的顏料會(huì)漸漸沉降，聚積在底部，甚至發(fā)生團(tuán)聚，更甚者會(huì)團(tuán)結(jié)成大顆粒，使涂料變質(zhì)，喪失原有性能。為防止效應(yīng)顏料沉降，需加入防沉劑使其能夠較長(zhǎng)時(shí)間地均勻懸浮在涂料中。以8.0%鋁粉漿XH330為效應(yīng)顏料，采用2種不同特性的防沉劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 防沉劑種類對(duì)涂料及其涂層性能的影響Table 4 Effect of the type of anti-settling agent on the performance of paint and its coating

從表4可知，2種防沉劑均可起到防沉作用，其中水性蠟乳液F的防沉效果更優(yōu)。水性蠟乳液F的結(jié)構(gòu)為聚酰胺蠟，可在體系中形成強(qiáng)大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的觸變性和防沉效果。加入氣相二氧化硅后，漆膜光澤下降明顯，而加入水性蠟乳液 F后，漆膜光澤有所上升，這是因?yàn)闅庀喽趸杈哂邢庑?，而蠟助劑能夠促進(jìn)效應(yīng)顏料更好地定向排列，從而獲得良好的金屬效果。另外，加入水性蠟乳液 F還提高了漆膜的鉛筆硬度。蠟顆粒分散在涂膜表面，形成細(xì)微粗糙的表面，與外平面接觸時(shí)，蠟顆粒起到支撐骨架的作用，減少了漆膜接觸面積，可抵抗外力刮傷［12］。因此選擇水性蠟乳液F為防沉劑。

2.4 水性仿金屬塑料漆的綜合性能

按最優(yōu)配方制備了水性仿金屬塑料漆，并測(cè)試了其性能見表5，因?yàn)閲?guó)家尚未出臺(tái)水性仿金屬塑料涂料標(biāo)準(zhǔn)，所以與溶劑型塑料仿金屬涂料的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比［13］。從表5可見，所制涂料能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合性能較好。

圖1顯示了水性仿金屬漆在PET塑料上的涂飾效果。其漆膜平整光亮，賦予了塑料底材優(yōu)異的仿金屬外觀。

圖1 水性仿金屬漆在PET塑料板上的涂飾效果Figure 1 Finishing effects of waterborne metal-imitation plastic paint applied to PET board

3 結(jié)語(yǔ)

以單組分自交聯(lián)丙烯酸乳液B為成膜基料，水性聚酰胺蠟防沉劑F為防沉助劑，與貯存穩(wěn)定性較好的鋁粉漿XH330和銅金粉K分別制備了水性仿金屬銀粉漆和金粉漆，所得涂料具有較好的貯存穩(wěn)定性，其漆膜綜合性能優(yōu)良，金屬效果明顯，滿足性能要求。

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［ 編輯：杜娟娟 ］

Preparation of waterborne metal-imitation plastic paints

// LI Zhuo-lin， LIANG Liang*， JIANG Jian-dong， CHEN Long

A waterborne metal-imitation paint applied to plastic surface was prepared using waterborne emulsion as binder，aluminum powder or bronze powder as effect pigment.The effects of type and amount of emulsion， effect pigment and anti-settling agent on the performances of coating were studied.The result indicated that the paints prepared using home-made one-component self-crosslinkable acrylic emulsion B as binder with 8% effect pigment （aluminum powder paste XH330 for silvery appearance and bronze powder K for golden appearance）， and waterborne wax emulsion F as anti-settling agent have a good storage stability， and the coatings obtained therefrom have an adhesion strength of 0 grade and a pencil hardness of 3H，showing good metal imitation appearance.

metal imitation paint； waterborne plastic coating； acrylic emulsion； aluminum powder； bronze powder； storage stability

TQ630.7

A

1004 - 227X （2016） 06 - 0295 - 05

2015-09-28

2015-11-20

李卓麟（1991-），男，廣東佛山人，在讀碩士研究生，從事水性涂料及油墨的研究。

梁亮，教授，（E-mail） liangl@gdut.edu.cn。