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提高水性金屬汽車涂料顏色與外觀質量的因素研
文章作者admin: 時間:2022-07-19 09:31

渠 毅, 黃 亮

(PPG 涂料(天津)有限公司,天津300457)來源:現代涂料與涂裝

 

摘要:通過對水性金屬汽車涂料配方設計過程中應用的鋁粉類型及鋁粉定向助劑的選擇,研究了影響水性金屬涂料最終顏色外觀的幾個主要影響因素。試驗表明:選擇耐剪切的水性包裹鋁粉并應用適當比例的鋁粉排布定向劑,可以使水性汽車金屬漆達到最佳的顏色和外觀效果。此外,通過水性金屬汽車涂料噴涂施工過程中關鍵點的控制也可以提高車身顏色外觀。

關鍵詞:水性金屬汽車涂料;水性鋁粉;耐剪切;外觀;施工固體含量

 

0 引言

  2014年中國汽車產銷量突破2 300萬輛,同比2013年增長7% ,連續六年位居全球第一,成為全球最大的汽車零售及生產制造國家,這就意味著汽車涂料的需求量也在迅猛提高。近兩年來,隨著全球對環境保護要求的提高以及汽車工業節能減排不斷地深入,汽車涂料正向水性化、 高固體分、 粉末涂料方向發展,其中水性涂料是最具前景的技術之一。汽車涂料供應商都致力于開發具有優良外觀和顏色的水性汽車涂料,以便取代傳統的溶劑型涂料。其中汽車金屬漆占領汽車涂料半壁江山,而其中的銀色占到顏色份額的近20%。

  本文研究了水性金屬汽車涂料中鋁粉顏料及助劑對顏色外觀的影響以及水性涂料施工過程中影響外觀的幾個因素。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

  混合丙烯酸樹脂乳液(自制,固體含量45%) ,丁醚化氨基樹脂(氰特化學),有機胺(10% DMEA),表面活性劑 (空氣化學),去離子水(自制), 鋁粉( 銀元型,粒徑25 μm), 鋁粉定向助劑,增稠劑,高沸點溶劑等,以上原料均采用進口供應商之產品。

1.2 配方

  試驗配方見表1。

  其中鋁粉的選用按照表2 進行試驗。

1.3 水性金屬汽車涂料的施工

  上述試驗樣品按照水性涂料制備工藝進行配制,pH=8.5。施工時,使用去離子水調整涂料黏度為45 ~ 50 s(DIN 4#), 使用自動噴漆設備,靜電壓, 50 kr/min轉速涂布在預涂電泳底漆中涂漆的鋼板上,膜厚15 μm。噴漆室施工溫度20 ~ 25 ℃,相對濕度60% ~ 70%,閃干3 min,80 ℃烘烤5 ~ 10 min。最后噴涂罩光清漆, 閃干10 min,140 ℃ 烘烤30 min。

1.4 試驗儀器

  發氣裝置(自制), 恒溫水浴箱 (LAUDA), 色差儀 (美能達 5 角度), 高速攪拌機(Lightmin)。

2 結果與討論

2.1 鋁粉顏料的選擇

2.1.1 發氣試驗結果

  水性金屬汽車涂料的金屬外觀主要來自于涂料中的鋁粉顏料,一定粒徑大小的鋁粉顏料在水性涂料中的穩定性直接影響車身的外觀與顏色。因此涂料制造商在進行金屬漆配方制作時要充分考慮鋁粉顏料在水性體系中的穩定性,避免金屬漆顏色發生變化。

  試驗選用配方A、B、C、D 各500 mL進行發氣試驗,試驗裝置見圖1。涂料倒入裝置后,密封好蓋子,放入恒溫40 ℃的水浴箱中加速試驗6個星期后,檢查測量空氣室內水的體積,并進行噴涂,與試驗初期未做發氣試驗的樣品制板進行顏色比較。試驗結果見表3。

  試驗結果表明,水性鋁粉在試驗過程中,產生的氣體較少,顏色的色差變化也小,其中二氧化硅硅包裹型的水性鋁粉結果最好, 而未經處理的傳統型鋁粉,試驗后產生的氣體最多,色差儀測量ΔE最大。

  試驗原理:鋁粉顏料本身可以與水發生反應,產生氫氣。鋁粉顏料在生產過程中,鋁粉顆粒被球磨機分散成細小顏料片。這一過程,使得鋁粉的表面積增大,反應性增加。 

  在水性涂料體系中,水性鋁粉表面處理方式主要有表面阻蝕抑制劑法和包覆膜法,其基本原理都是降低鋁粉與水直接發生反應的幾率。不同的處理方式會影響鋁粉與水發生反應的程度。試驗顯示,進口二氧化硅包裹型鋁粉雖然在水性涂料體系中具有優異的穩定性,但是價格過高;而在水性金屬漆配制過程中采用傳統鋁粉進行直接鈍化(如配方C),具有價格低廉的優勢。但這種處理方式因鈍化劑種類(比如常見磷酸鹽、釩酸鹽)、鈍化劑使用的比例、鋁粉表面鈍化均一性等因素影響,會造成最終水性金屬漆穩定性降低。因此配方設計者要充分考慮諸多因素,并經過貯存穩定性試驗, 才能配制出性價比高的水性金屬涂料。

2.1.2 耐高剪切試驗結果

  汽車涂料在車廠調漆間通過供漆泵經過循環管路到達噴涂房,鋁粉金屬涂料噴涂一段時間后會發現顏色變暗,這是由于循環管路中的齒輪泵或離心泵對金屬漆中的鋁粉造成較大機械剪切,發生鋁粉顆粒變形。

  此試驗使用的是一種高速分機裝置模擬噴涂車間的循環管路,選用配方E、F、G各500 mL進行試驗, 測試不同鋁粉經過高剪切后,顏色亮度值變化差異。攪拌器的轉速為3 000 r/min,分散時間為10 min。分散后進行樣品噴涂,與未經過高剪切測試樣品進行ΔL比較,結果見表4。

  結果表明:配方E和配方F 在15°和25°亮度值ΔL變化幅度小于配方G,試驗表明這2個配方顏色變化較小,鋁粉E、F的耐剪切能力均強于G。

  這是因為在高剪切分散的情況下,涂料中的片狀鋁粉會發生一定程度的變形。如圖2 變形后的鋁粉對于光源的散射增加,反射程度降低,造成小角度上ΔL變暗,目視效果顏色變黑。因此試驗后,15°和25°測量的 ΔL變化越小,鋁粉的抗高剪切能力越高,在車廠的循環系統里,顏色變化越小。

  因此在篩選水性鋁粉顏料過程中,必須充分考慮鋁粉在循環系統中抗剪切變形的能力,提高水性金屬涂料的顏色穩定性。

2.2 鋁粉定向劑用量

  即便使用同一鋁粉,配制的水性涂料金屬效果表現力要比溶劑型涂料差很多。原因就是溶劑型涂料霧化施工過程中,70% ~ 80% 的溶劑快速揮發掉,鋁粉在涂膜中容易被固定住,形成良好排布。而水性涂料體系因含有大量水,水的熱容高,不易在施工過程中揮發,涂料在底材上容易流動,致使涂層中的鋁粉發生翻轉移動而不能良好排布,形成過多散射,從而影響漆膜金屬閃光度,見圖3。因此水性金屬涂料中必須使用鋁粉定向助劑幫助鋁粉形成良好排布。

  試驗選用蠟助劑幫助水性涂料中的鋁粉定向,在基礎配方不變的情況下,改變助劑使用量,考察其用量對涂膜顏色外觀的影響,結果見表5。

  由結果可知,當蠟助劑在配方中使用量為7%時, 漆膜的金屬閃光性與鮮映性達到最佳,用量過多或過少,都會影響漆膜顏色與外觀。從漆膜外觀流掛上看,7% 助劑也使漆膜達到最佳流平與抗流掛性平衡。

2.3 水性涂料濕膜固體含量控制

  水性色漆涂裝過程中,必須進行低溫烘烤后才能進行下一道清漆施工。如前所述,水性涂料中含有的大量水不能在噴涂過程中快速揮發, 這不僅影響金屬漆鋁粉顏料的排列定向,產生顏色不良,還會產生漆膜弊病,如針孔等缺陷。

  試驗通過低溫烘烤后濕膜固體含量及樣板漆膜的顏色及外觀比較,確定低溫烘烤條件,以得到最佳的金屬漆顏色外觀。

  試驗選用配方C進行施工噴涂。噴涂時,使用已知質量為M0,大小為10 cm×10 cm的鋁箔紙貼覆于被涂樣板一側,進行正常噴涂。噴涂后,樣板室溫閃干3  min, 立即取下鋁箔,對疊折起,防止漆膜中水分或溶劑等繼續向外揮發,進行稱量,質量為M1。稱重后,打開對折的鋁箔進行低溫烘烤, 烘烤后,取出鋁箔進行稱量,得到質量M2。取下鋁箔后的樣板室溫閃干后直接進入低溫烘烤。并按施工流程完成清漆涂覆,以便進行顏色外觀檢測。  

  本試驗過程中低溫烘烤條件分別設置為:50 ℃ 5 min,65 ℃ 5 min,80 ℃ 50 min, 90 ℃ 5 min。

  根據公式:固體含量%=(M2-Mo)/(M1-Mo)計算得到預烘烤后固體含量。

  試驗結果如表6所列。

  試驗樣板分別進行顏色、外觀比較,見表7。

  結果表明:噴涂清漆前,水性金屬色漆漆膜中的水是否充分揮發出來,即預烘烤固體含量的大小, 與最終的漆膜的顏色及外觀有密切的聯系。本試驗中,當預烘烤固體含量偏低時,漆膜含水量過高,漆膜中的鋁粉可以繼續翻轉,造成鋁粉顏料定向排列不佳,漆膜亮度偏低。同時,漆膜中未揮發出的水分在噴涂溶劑型清漆后被封閉到漆膜層中。當樣板置于140 ℃烘烤時,水迅速汽化,從已經表干的漆膜中通過。這個過程造成漆膜表面被頂開,清漆來不及再次流平,形成漆膜表面針孔缺陷(見圖4)。而當預烘烤固體含量達到85% 以上時,漆膜可以得到最佳的外觀顏色。

  在施工現場,應跟據實際環境溫濕度、換風速度、鏈速、烘道長度、金屬車身形狀等因素,調整低溫烘烤溫度條件。經驗證明:低溫烘箱升溫速度控制在10 ~ 15 ℃/min,低溫烘烤后的預烘烤固體含量達到85% ~  95%, 即可達到良好的漆膜顏色和外觀。此外,施工現場另外一個重要因素就是保證施工環境溫度22 ~ 25 ℃, 相對濕度為60% ~ 70%,也可以連續良好的漆膜外觀。

3 結語

  通過試驗證明,在設計應用水性鋁粉金屬汽車涂料時,要充分考慮水性涂料產品的特點及汽車廠噴涂車間的施工條件。使用抗剪切型的水性鋁粉,可以提高水性金屬涂料的貯存穩定性和顏色外觀??刂破崮ゎA烘烤的固體含量,也可提高車身漆面的外觀質量。

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