CN104592882A - 汽车用单组份水性素色漆及其制备工艺 - Google Patents

汽车用单组份水性素色漆及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车用单组份水性素色漆及其制备工艺，所述水性素色漆由以下重量百分比的组分组成：阴离子型聚氨酯水分散体50-70％、色浆20-45％、基材润湿剂0.1-10％、消泡剂0.2-1％、增稠剂0.2-1％。本发明的阴离子型聚氨酯水分散体搭配相应的助剂制备的汽车用单组份水性素色漆不仅干燥速度快，而且具有优异的储存稳定性，优异的物理机械性能、耐水性、耐化性和耐候性，最重要的是该水性素色漆的VOC含量≤420g/L，属于环境友好型产品。而且本发明的汽车用单组份水性素色漆制备工艺简单，便于质控。

Description

汽车用单组份水性素色漆及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种汽车用单组份水性素色漆及其制备工艺。
背景技术
目前我国汽车涂料仍以溶剂型为主，大量挥发性有机化合物(VOCs)在涂装过程中对生态环境造成了严重的污染，同时也对人类健康带来了极大的危害。随着人们环保意识的提高，各国政府都出台了相关的法规以限制VOCs的排放量。为了适应时代的发展，汽车涂料正向环境友好型方向转变，其中环境友好型涂料包括了水性涂料、粉末涂料、UV固化涂料和高固体份涂料，而水性涂料是其中发展最快的一类。
汽车涂料主要分为底漆、中涂、底色漆和罩光漆，底色漆又可分为素色漆和金属闪光漆，底色漆是所有涂层中VOCs排放量最大的，其有机溶剂含量高达85％，施工固体份只有15％左右，占汽车车身涂装所用各道涂层的VOCs总排放量的50％左右。因此，国内外都在研究开发水性的汽车底色漆，以快速降低汽车涂料的VOCs排放量。
聚氨酯水分散体(PUD)以其对生态环境的友好、在运输和使用上的安全性等优势，越来越受到人们的关注，并逐渐被市场所接受。在聚氨酯水分散体中，以阴离子型的应用较为广泛，它是在聚氨酯(PU)链上引入阴离子基团，使其具有足够的亲水性而分散在水中形成稳定的乳液。因此也被用来制备汽车用水性素色漆。
汽车用水性素色漆具有以下几个特点：①颜色众多：大概包含65种颜色，可大致分黑色、白色、红色、橙色、黄色、绿色、蓝色和紫色，其中每种颜色下又可再进行细分，如红色可分为带鲜红、亮红、暗红、紫相红等；②汽车用单组份水性素色漆要求具有良好的施工性、良好的物理机械性能以及良好的户外耐水性、耐化性和耐候性；③汽车用水性素色漆要求符合环保法规，其VOC排放必须≤420g/L。
目前国内外关于汽车用水性素色漆的报道已有很多，但大多存在三个问题：①使用丙烯酸乳液作为主体树脂的水性素色漆，储存稳定性差，丙烯酸乳液对色浆的展色力差，而且丙烯酸乳液的蓝光常影响素色漆的色相。②使用聚氨酯水分散体作为主体树脂的水性素色漆，所用的聚氨酯水分散体与各类树脂、色浆和助剂的相容性并不理想，所以制备出的素色漆稳定性较差；③用一般的聚氨酯水分散体制备的素色漆的物理机械性能、耐水性、耐化性以及耐候性方面都存在一定缺陷。
发明内容
为解决上述问题，本发明的提供一种汽车用单组份水性素色漆及其制备工艺。
本发明的汽车用单组份水性素色漆，由以下重量百分比的组分组成：
其中阴离子型聚氨酯水分散体可加快素色漆的干燥速度，同时为素色漆膜提供优异物理机械性能、耐水性、耐化性和耐候性；色浆可以为素色漆提供各类颜色，可以是常用的各种颜色的色浆；基材润湿剂可帮助素色漆在各类基材上更好的润湿流平；消泡剂可帮助素色漆快速消去搅拌过程中产生的气泡；增稠剂可以增大素色漆的粘度，保证其储存稳定性。
优选地，所述阴离子型聚氨酯水分散体按照重量百分比，是由5～30％预聚物单体、0～30％聚碳酸酯二醇、20～45％聚酯二元醇、1～5％扩链单体、0.1～3％的交联单体、10～40％的二异氰酸酯单体合成的；其中所述的预聚物单体是由酯类单体和羧酸单体合成，且带有伯羟基、肿羟基和大位阻侧基。带有大位阻侧基的预聚物单体可以降低聚氨酯的粘度，有利于聚氨酯的乳化，使得所生产的聚氨酯涂料产品具有优异的耐水性和耐化性。
进一步优选地，所述酯类单体是叔碳酸缩水甘油酯，所述羧酸单体是二羟甲基丙酸(DMPA)和/或二羟甲基丁酸(DMBA)。其中二羟甲基叔碳酸酯可以为阴离子型聚氨酯水分散体提供大位阻侧基，可在合成时大幅度降低聚氨酯粘度；同时提高得到的阴离子型聚氨酯水分散体的耐水性和耐化性。进一步优选地，合成得到的预聚物单体的酸值≤7mgKOH/g。
聚碳酸酯二醇和聚酯二元醇为软组分，其中聚碳酸酯二醇为提高阴离子型聚氨酯水分散体的物理机械性能、耐水性、耐化性和耐候性；聚酯二元醇为提高阴离子型聚氨酯水分散体的柔韧性，与其他类型树脂、各类色浆、助剂的相容性；及提供水溶性；具体如磺酸盐聚酯二醇等具有亲水基团的聚酯二元醇。
优选地，所述二异氰酸酯单体为分子链末端具有两个异氰酸根、链中不带有苯环的、脂肪族或脂环族二异氰酸酯单体。优选地为异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、环己烷二亚甲基二异氰酸酯(HXDI)和甲苯二异氰酸酯(TDI)。
扩链单体、交联单体、催化剂和助溶剂可选用本领域技术人员熟知的常用物质，如扩链单体可选用乙二醇、乙二胺、1,4-丁二醇等。交联单体可以为三羟甲基丙烷(TMP)、丙三醇、季戊四醇和双季戊四醇等常用的合成阴离子聚氨酯水分散体的交联单体。催化剂可以从叔胺催化剂、哌嗪衍生物催化剂、吗啉类催化剂、咪唑衍生物类催化剂或有机金属催化剂中选择任意一种。助溶剂可以是常用的N-甲基吡咯烷酮、N-乙基吡咯烷酮等。
优选地，所述基材润湿剂为氟碳改性丙烯酸酯或聚硅氧烷类润湿剂，如常见的商品牌号为TEGO-500、AFCONA-3570或AFCONA-3585等的产品。
优选地，所述消泡剂可以为天然油脂、聚醚类消泡剂、高碳醇消泡剂、硅类消泡剂、聚醚改性硅类消泡剂或自乳化消泡剂。如TEGO-810、TEGO-822、TEGO-830等。
所述增稠剂为聚醚聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸酯类增稠剂或缔合型聚氨酯增稠剂，如常见的海明斯-299、海明斯-1070等系列增稠剂。
本发明还提供了上述含有阴离子型聚氨酯水分散体的汽车用单组份水性素色漆的制备工艺，具体包括步骤：首先将阴离子型聚氨酯水分散体加入反应釜，在500～700r/min搅拌条件下加入色浆，分散3～10min；然后依次加入基材润湿剂、消泡剂和增稠剂，每种助剂加入后都需要搅拌3～10min，方可加入下一个助剂；所有助剂加完后搅拌5～15min，最后静置消泡、过滤出料。
本发明的有益效果是：本发明的阴离子型聚氨酯水分散体搭配相应的助剂制备的汽车用单组份水性素色漆不仅干燥速度快，而且具有优异的储存稳定性，优异的物理机械性能、耐水性、耐化性和耐候性，最重要的是该水性素色漆的VOC含量≤420g/L，属于环境友好型产品。而且本发明的汽车用单组份水性素色漆制备工艺简单，便于质控。
具体实施方式
本发明的汽车用单组份水性素色漆是由阴离子型聚氨酯水分散体、色浆、基材润湿剂、消泡剂、增稠剂组成的，其中阴离子型聚氨酯水分散体可以采用市售的阴离子型聚氨酯水分散体，如常见的牌号为dispercoll U54、Bayhydrol XP2648的阴离子型聚氨酯水分散体。
优选地，采用所述阴离子型聚氨酯水分散体按照重量百分比，是由5～30％预聚物单体、0～30％聚碳酸酯二醇、20～45％聚酯二元醇、1～5％扩链单体、0.1～3％的交联单体、10～40％的二异氰酸酯单体合成的；其中所述的预聚物单体是由酯类单体和羧酸单体合成，且带有伯羟基、肿羟基和大位阻侧基。
优选地，所述酯类单体是叔碳酸缩水甘油酯，所述羧酸单体是二羟甲基丙酸(DMPA)和/或二羟甲基丁酸(DMBA)。
具体地，聚氨酯水分散体的合成可以采用如下方法合成：
1)预聚物单体合成
在装备了搅拌器、冷凝管、温度计、电热套和真空泵的反应釜中，按照摩尔量之比为1:1，加入叔碳酸缩水甘油酯与二羟甲基丙酸(DMPA)/二羟甲基丁酸(DMBA)，然后在110～140℃，反应4～6h，得到所述的预聚物单体。
2)阴离子型聚氨酯水分散体的合成
S1：在装备了搅拌器、冷凝管、温度计、电热套和真空泵的反应釜中，加入配方量的聚碳酸酯二醇和聚酯二元醇，升温至105～115℃，抽真空0.5～3h去除水分；然后降温至50～55℃，加入配方量的预聚物单体、扩链单体、交联单体和二异氰酸酯单体，及催化剂和助溶剂；升温至65～70℃反应1h，然后升温至85℃-90℃反应，待体系中的异氰酸酯基值为0时，停止反应，得到聚氨酯溶液。
S2：在聚氨酯溶液中加入去离子水乳化，得到淡蓝色的透明或半透明的阴离子型聚氨酯水分散体。
以下结合优选地实施例对本发明做进一步描述，但并不局限于此。
实施例A 预聚物单体的合成
在装备了搅拌器、油浴锅和温度计的三口烧瓶中加入等摩尔量的叔碳酸缩水甘油酯和(二羟甲基丁酸和/或二羟甲基丙酸)，在不同温度，反应不同时间，获得预聚物单体-二羟甲基叔碳酸酯。其中叔碳酸缩水甘油酯的环氧当量为240g/mol，在25℃时的粘度为80cps；二羟甲基丁酸的原始酸值是376mgKOH/g，羟值是758mgKOH/g；二羟甲基丙酸的原始酸值是416mgKOH/g，羟值是825mgKOH/g。实施例A组中各实施例的列表如表1所示。
表1 实施例A列表
注：中间体粘度是在室温25℃，使用博勒飞DV-Ⅱ型旋转粘度计，3号转子，5转/min的条件下测得。
通过对比实施例A1-A4可知，在反应时间固定的条件下，随着温度的升高，越来越多的二羟甲基丁酸中的羟基与叔碳酸缩水甘油酯的环氧基进行反应，故为了保证二羟甲基丁酸的伯羟基尽可能多的被保留下来，反应温度120℃、反应时间5h为优选。
实施例B：阴离子聚氨酯水分散体(PUD)的合成
下面结合优选的实施例对本发明的阴离子聚氨酯水分散体的合成进行说明，配方中的二羟甲基叔碳酸酯可以是自己合成或者购买，优选的满足酸值≤7mgKOH/g。以下实施例中优选实施例A2中合成的二羟甲基叔碳酸酯。为这里说明：在此只是示例性说明，现有公开技术中的其它路线合成的二羟甲基叔碳酸酯也可以实现本发明。
实施例B1
在反应釜中加入聚碳酸酯二醇和聚酯二元醇，升温至110～115℃，抽真空0.5h去除水分；然后降温至50～55℃，加入实施例A2合成的预聚物单体、扩链单体、交联单体、二异氰酸酯单体、催化剂和助溶剂，其中各组分单体所带的伯羟基与异氰酸根的摩尔量之比是1.3:1；升温至65～70℃反应1h，然后升温至85℃-90℃反应，待体系中的异氰酸酯基值为0时，停止反应，得到聚氨酯溶液。
在聚氨酯溶液中加入去离子水乳化，得到所述的阴离子型聚氨酯水分散体。
实施例B2
在反应釜中加入聚碳酸酯二醇和聚酯二元醇，升温至105～110℃，抽真空3h去除水分；然后降温至50～55℃，加入实施例A2中合成的预聚物单体、扩链单体、交联单体、二异氰酸酯单体、催化剂和助溶剂，其中各组分单体所带的伯羟基与异氰酸根的摩尔量之比是1.5:1；升温至65～70℃反应1h，然后升温至85℃-90℃反应，待体系中的异氰酸酯基值为0时，停止反应，得到聚氨酯溶液。
在80℃条件下，在聚氨酯溶液中加入去离子水乳化，得到所述的阴离子型聚氨酯水分散体。
实施例B3
在反应釜中加入聚碳酸酯二醇和聚酯二元醇，升温至110～115℃，抽真空2h去除水分；然后降温至50～55℃，加入实施例A2中合成的预聚物单体、扩链单体、交联单体、二异氰酸酯单体、催化剂和助溶剂，其中各组分单体所带的伯羟基与异氰酸根的摩尔量之比是1.2:1；升温至65～70℃反应1h，然后升温至85℃-90℃反应，待体系中的异氰酸酯基值为0时，停止反应，得到聚氨酯溶液。
在80℃条件下，在聚氨酯溶液中加入去离子水乳化，得到所述的阴离子型聚氨酯水分散体。
实施例B4-B7
采用实施例A2中合成的预聚物单体，采用同实施例B2相同的条件合成阴离子型聚氨酯水分散体。
实施例B1—B7的各配方如表2所示。
表2 实施例B各实施例PUD的合成配方
实施例C：含阴离子型聚氨酯水分散体的汽车用单组份水性素色漆的制备
实施例C1：
在搅拌釜中加入一定量的实施例B1中合成的阴离子型PUD，在500r/min的搅拌条件，下加入一定量的色浆，分散5min，然后依次加入基材润湿剂、消泡剂和增稠剂，每个助剂加入后都需要搅拌5min，方可加入下一个助剂。所有助剂加完后搅拌10min，过滤、消泡即得到水性素色漆。
实施例C2：
在搅拌釜中加入一定量的实施例B2中合成的阴离子型PUD，在600r/min的搅拌条件下，加入一定量的色浆，分散3min，然后依次加入基材润湿剂、消泡剂和增稠剂，每个助剂加入后都需要搅拌10min，方可加入下一个助剂。所有助剂加完后搅拌15min，过滤、消泡即得到水性素色漆。
实施例C3
在搅拌釜中加入一定量实施例B3中合成的阴离子型PUD，在在700r/min的搅拌条件，加入一定量的色浆，分散10min，然后依次加入基材润湿剂、消泡剂和增稠剂，每个助剂加入后都需要搅拌8min，方可加入下一个助剂。所有助剂加完后搅拌5min，过滤、消泡即得到水性素色漆。
实施例C4-7，依次采用实施例B3-B7中合成的阴离子型聚氨酯水分散体，在同实施例C3相同的反应条件下制备得到汽车用单组份水性素色漆。
各实施例中汽车用单组份水性素色漆配方如表3所示，为方便对比期间，本实施例中的色浆统一采用青口蓝色浆。
表3 实施例C各实施例的水性素色漆的配方
把实施例C1-7中制备好的素色漆用自制的稀释剂调节施工粘度为涂-4杯20s(25℃)左右，喷涂于打磨好的马口铁板上，待漆膜吹干后，喷涂罩光清漆，然后在70℃烘烤1h，即获得性能优异的水性素色漆膜。
其性能测试结果表3所示：
表4 实施例C各素色漆性能测试结果
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：由以下重量百分比的组分组成：
2.根据权利要求1所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述阴离子型聚氨酯水分散体按照重量百分比，是由5～30％预聚物单体、0～30％聚碳酸酯二醇、20～45％聚酯二元醇、1～5％扩链单体、0.1～3％的交联单体、10～40％的二异氰酸酯单体合成的；其中所述的预聚物单体是由酯类单体和羧酸单体合成，且带有伯羟基、肿羟基和大位阻侧基。
3.根据权利要求2所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述酯类单体是叔碳酸缩水甘油酯，所述羧酸单体是二羟甲基丙酸和/或二羟甲基丁酸。
4.根据权利要求3所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述预聚物单体的酸值≤7mgKOH/g。
5.根据权利要求2所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述聚碳酸酯二醇和聚酯二元醇的数均分子量为1000-2000；且所述聚酯二元醇分子链上带有以下任意一种或多种亲水基团：羧基、磺酸盐基、长醚链和酰胺基。
6.根据权利要求2所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述二异氰酸酯单体为分子链末端具有两个异氰酸根、链中不带有苯环的、脂肪族或脂环族二异氰酸酯单体。
7.根据权利要求1所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述基材润湿剂为氟碳改性丙烯酸酯或聚硅氧烷类润湿剂。
8.根据权利要求1所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述消泡剂为天然油脂、聚醚类消泡剂、高碳醇、硅类消泡剂、聚醚改性硅类消泡剂或自乳化消泡剂。
9.根据权利要求1所述的汽车用单组份水性素色漆，其特征在于：所述增稠剂为聚醚聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸酯类增稠剂或缔合型聚氨酯增稠剂。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的汽车用单组份水性素色漆的制备工艺，其特征在于：首先将阴离子型聚氨酯水分散体加入反应釜，在500～700r/min搅拌条件下加入色浆，分散3～10min；然后依次加入基材润湿剂、消泡剂和增稠剂，每种助剂加入后都需要搅拌3～10min，方可加入下一个助剂；所有助剂加完后搅拌3～15min，最后静置消泡、过滤出料。
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