CN105885658B - 一种含氧化铁颜料的水性单组份汽车漆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含氧化铁颜料的综合性能优异的水性单组份汽车漆及其制备方法。本发明设计的含氧化铁颜料的水性单组份汽车漆由树脂、胺中和剂、氧化铁色浆和助剂组成，其中氧化铁色浆是由去离子水、助溶剂、助剂和氧化铁粉组成。按氧化铁色浆配方投完料后，高速分散10‑15min，然后进入砂磨机研磨至细度＜5μm，即得氧化铁色浆，然后按氧化铁色漆配方顺序投料，搅拌均匀即得水性氧化铁色漆。本发明提供的水性单组份氧化铁色漆有几个优点：①优良的储存稳定性；②优良的冻融稳定性；③优良的遮盖力；④优良的耐水性、耐化性和耐候性；⑤优良的施工性和抗流挂性；⑥优良的干燥速度。

Description

一种含氧化铁颜料的水性单组份汽车漆及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车涂料技术领域，具体涉及一种综合性能优异的水性单组份氧化铁色漆及其制备方法。
背景技术
目前我国的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，各国政府都出台了大量相关的法规以限制VOCs的排放量。为了顺应时代的发展，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。
氧化铁色粉的比重是所有颜色色粉中最大的几种之一，所以氧化铁色漆容易发生沉降，在水性体系中这种沉降现象尤为明显。因此，一种综合性能优异的水性单组份氧化铁色漆必须具备以下几个性能：
①优良的储存稳定性。
②优良的附着力；
③优良的遮盖力；
④优良的耐候性；
⑤优良的低粘防沉性；
⑥优良的施工性和防流挂性；
⑦优良的干燥速度。
目前市面上有很多厂家在售卖水性单组份氧化铁色漆，性能参次不齐，但基本上没有一个品牌能够同时满足以上所有要求。所以，开发一种综合性能良好的水性单组份氧化铁色漆填补此项技术空白是必然的趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种综合性能优异的水性单组份氧化铁色漆及其制备方法，这类氧化铁色漆不仅VOC含量低，属于环境友好型产品，而且具有优良的储存稳定性、附着力、遮盖力、耐候性、低粘防沉性、施工性、防流挂性和优良的干燥速度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有优异的综合性能的水性单组份氧化铁色漆，由以下按重量比计的原料组成：
其中，所述的氧化铁色浆由以下按重量比计的原料组成：
优选的，水性聚氨酯树脂为拜耳2606，Cytec1236等。
优选的，氧化铁色浆中所用的助溶剂是亲水性的和亲油性的醇醚类助溶剂按1:1-5的比例复配，其中亲水性的助溶剂是聚乙二醇(数均分子量为400)或聚丙二醇(数均分子量为400)，亲油性的助溶剂的沸点低于160℃，同时蒸发潜热低于530KJ/Kg，如正戊醇和正己醇中的一种或两种；
优选的，所述的氧化铁色浆中的分散剂为阴离子型的高分子量的分散剂的和阴离子型的低分子量的分散剂按重量比为1.5-2:3-3.5进行复配.
进一步优选的，所述的阴离子型的高分子量的分散剂的数均分子量＞20000，为BYK-190和BYK-194N中至少一种；
进一步优选的，所述的阴离子型的低分子量的分散剂的数均分子量是3000-10000，如ELEMENTIS FX600、Rohm&Haas OROTAN快易和BYK151等中至少一种。
优选的，所述的氧化铁色浆中的消泡剂为有机硅类消泡剂，如BYK-022、TEGO-810、TEGO-901w、SURFYNOL 104BC等中至少一种。所述的氧化铁色漆中所用消泡剂为非有机硅类消泡剂，如TEGO-830、TEGO-831、TEGO-832等中至少一种。
优选的，所述的氧化铁色浆中的湿润剂为不稳泡的湿润剂，如TEGO-500、BYK-800等中至少一种；所述的氧化铁色浆中的防沉剂为蒙脱土类防沉剂，如ELEMENTIS BENTONELT、DE、BYK LAPONITE RD等中至少一种；所述的氧化铁粉为氧化铁黄粉、氧化铁红粉或氧化铁黑粉等。
优选的，所述的氧化铁色漆中的流平剂是具有基材润湿和流平的双重功能的流平剂，如TEGO240、TEGO425、TEGO450等；所述的增稠剂是缔合型聚氨酯类，如ELEMENTISRHEOLATE 299、FX1070和FX1010，Viscoplus 3030、Rohm&Haas RM-8W等中至少一种。
优选的，所述的胺中和剂是沸点高于130℃的胺中和剂，进一步优选的是二甲基乙醇胺和2-氨基-2-甲基-1-丙醇中至少一种。
一种制备上述水性单组份氧化铁色漆的方法，包括以下步骤：
(1)将去离子水、助溶剂、分散剂、润湿剂和消泡剂混合均匀后，加入防沉剂和氧化铁粉，在8-9m/s的线速度下分散10-15min，最后进入砂磨机研磨至细度＜5μm，即得水性氧化铁色浆；
(2)将水性聚氨酯树脂、胺中和剂混合均匀后，缓慢加入经过步骤(1)制备得到的水性氧化铁色浆，分散均匀后，再加入消泡剂、流平剂和增稠剂，搅拌分散，过滤出料即得水性氧化铁色漆。
上述水性单组份氧化铁色漆的施工方法：用去离子水调节氧化铁色漆粘度至30-35s(涂-4杯，23℃)，喷涂于打磨好的马口铁板上，60℃下干燥5min，待漆膜干燥后，在其表面喷涂罩光清漆，60℃下固化1h，即得性能优异的氧化铁色漆膜。
本发明的有益效果
本发明技术方案中制备水性单组份氧化铁色漆的方法与现有技术相比，具有下述优点：
①氧化铁色浆中有亲水的和疏水的助溶剂，保证氧化铁色浆和氧化铁色漆有更好的储存稳定性，以及在施工时漆膜有更快的干燥速度和更好的外观效果；
②氧化铁色浆中有45％-55％的氧化铁粉，而氧化铁色漆中有55％-65％的氧化铁色浆，即氧化铁色漆中大概有30％的氧化铁粉，因此氧化铁色漆有优良的遮盖力；
③氧化铁色浆中同时具备阴离子型的高分子量的和阴离子型的低分子量的分散剂，还有不稳泡的润湿剂，保证了前搅拌(即预分散)阶段，氧化铁粉能够被快速润湿，而研磨好的氧化铁色浆和配好的氧化铁色漆也有优良的储存稳定性和冻融稳定性；
④氧化铁色浆中加入了防沉剂，保证比重如此大的氧化铁色浆和氧化铁色漆在储存过程中不沉降不分水；同时加入阴离子型的高分子量分散剂可以帮助防沉剂在体系中稳定，而不会在静置过程中团聚而失去防沉作用，并且防沉剂与增稠剂协同作用，为氧化铁色漆提供了优良的触变性，确保氧化铁色漆具有优良的施工性和防流挂性；
⑤氧化铁色漆中加入的流平剂既能帮助基材润湿，也能帮助漆膜流平，可以保证最终漆膜平整光滑无缩孔。
附图说明
图1是有机蒙脱土类防沉剂的电荷稳定示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述，但并不局限于此。
实施例1
1.水性氧化铁色浆的制备
水性氧化铁色浆的配方如表1所示，其制备工艺过程如下：①把去离子水、不同种类的助溶剂加入搅拌釜中，然后边搅拌边加入BYK-190、FX600、TEGO-500、TEGO-901w，待分散均匀后，继续加入RD和氧化铁粉，在8-9m/s的线速度下搅拌10-15min；②把搅拌均匀的氧化铁色浆注入砂磨机，研磨45min-1h，待其细度＜5μm，即得到氧化铁色浆。
2.水性单组份氧化铁色漆的制备
把树脂2606加入搅拌釜中，边搅拌边加入2-氨基-2-甲基-1-丙醇，中和5min后，缓慢加入研磨好的氧化铁色浆、TEGO-830、TEGO-240、FX1070，加完所有物料后搅拌30min，过滤出料，即得水性单组份氧化铁色漆。
3.水性单组份氧化铁色漆膜的制备
用去离子水调节氧化铁色漆粘度至30-35s(涂-4杯，23℃)，喷涂于打磨好的马口铁板上，60℃下干燥5min，待漆膜干燥后，在其表面喷涂罩光清漆，60℃下固化1h，即得性能优异的氧化铁色漆膜。
由配方1、配方2、配方3和配方4制备的水性单组份氧化铁色漆的性能如表2所示。由表可知，配方1、配方2、配方3和配方4制备的氧化铁色漆均具有优良的储存稳定性、遮盖力、附着力、柔韧性、耐化性和耐候性，但是配方1和配方4的干燥速度明显比配方2和配方3慢。这是因为，水的沸点是100℃，蒸发潜热是588KJ/Kg，正丁醇的沸点是117.7℃，蒸发潜热是591.5KJ/Kg，正庚醇的沸点是176.3℃，蒸发潜热是1837.2KJ/Kg，正戊醇的沸点是138℃，蒸发潜热是504.8KJ/Kg，正己醇的沸点是157.1℃，蒸发潜热是448.7KJ/Kg，虽然正戊醇和正己醇的沸点比水高，但是其蒸发潜热比水低很多，而正丁醇和正庚醇的沸点和蒸发潜热都比水高，所以，正戊醇和正己醇在相同环境温度下，会比水更快挥发，从而把水更快的排出漆膜，同时聚乙二醇的存在一方面可以保证体系的稳定性，另一方面可以大大延长漆膜的开放时间，使漆膜中的水份挥发的更彻底。因此，优选的水性单组份氧化铁色漆的助溶剂是聚乙二醇+正戊醇或聚乙二醇+正己醇。
表1实施例1改变助溶剂类型制备水性单组份氧化铁色漆的基本配方
表2实施例1助溶剂类型与水性单组份氧化铁色漆性能的关系
①通过吹风使漆膜完全干燥的时间作为干燥时间，环境温度是25℃，湿度是75％；
②贴黑白格测试遮盖力，下同。
实施例2
表3是实施例2在保证其他物料不变的情况下，改变分散剂类型制备水性氧化铁色漆的投料配方，其配方编号依次为5、6、7和8。按实施例1制备水性单组份氧化铁色漆的工艺过程制备表3所示编号为5～8的4种氧化铁色漆，按实施例1制备氧化铁色漆膜的工艺过程制备漆膜。
由配方5、配方6、配方7和配方8制备的水性单组份氧化铁色漆的性能如表4所示。由表可知，当配方中使用(BYK-190+FX600)或(BYK-194N+OROTAN快易+BYK-151)的分散剂组合时，水性单组份氧化铁色漆具有优异的储存稳定性、冻融稳定性、遮盖力、附着力、柔韧性、耐水性、耐化性和耐候性；当选用(FX365+FX600)的分散剂组合时，水性单组份氧化铁色漆的储存稳定性不合格，当选用(BYK-192+FX600)的分散剂组合时，水性单组份氧化铁色漆的储存稳定性和冻融稳定性不合格，主要表现在储存后出现粒径返粗、沉降分水，以及粘度有所升高。
这是因为低分子量的阴离子型分散剂可以分散氧化铁粉，同时赋予氧化铁色浆良好的流动性，高分子量的阴离子型分散剂可以稳定氧化铁粉和防沉剂，确保防沉剂不会在储存过程中出现凝聚。BYK-190、BYK-194N与FX365都属于阴离子型分散剂，但是FX365的数均分子量远小于BYK-190和BYK-194N，而BYK-192属于非离子型分散剂，其分子量比BYK-190和BYK-194N要小，导致其不能稳定防沉剂，同时BYK-192在温度低于20℃时就会出现浑浊凝结现象，所以由BYK-190和BYK-194N制备的水性单组份氧化铁色漆综合性能最好。因此，优选的分散剂组合是(BYK-190+FX600)或(BYK-194N+OROTAN快易+BYK-151)。
表3实施例2改变分散剂类型制备水性单组份氧化铁色漆的基本配方
表4实施例2分散剂类型与水性单组份氧化铁色漆性能的关系
实施例3
表5是实施例3在保证其他物料不变的情况下，改变分散剂比例制备水性氧化铁色漆的投料配方，其配方编号依次为9、10、11和12。按实施例1制备水性单组份氧化铁色漆的工艺过程制备表5所示编号为9～12的4种氧化铁色漆，按实施例1制备氧化铁色漆膜的工艺过程制备漆膜。
由配方9、配方10、配方11和配方12制备的水性单组份氧化铁色漆的性能如表6所示。由表可知，当分散剂BYK-190与FX600的配比为0.5:4.5时，水性氧化铁色漆具有优异的遮盖力、附着力、柔韧性、耐化性和耐候性能，但其储存稳定性、冻融稳定性和耐水性不合格；当分散剂BYK-190与FX600的配比为1.5:3.5时，水性氧化铁色漆具有优异的各项性能；当分散剂BYK-190与FX600的配比为2:3时，水性氧化铁色漆也具有优异的各项性能，但是氧化铁色浆的粘度稍微偏高，影响研磨效率；当分散剂BYK-190与FX600的配比为4.5:0.5时，氧化铁色浆流动性太差，无法进行研磨。这是因为，BYK190作为大分子量的阴离子型分散剂，其具有两个优点：①空间位阻大，对氧化铁粉和防沉剂有较强的稳定作用；②耐水性好。FX600作为低分子量的阴离子型分散剂也具有两个优点：①比较亲水，能快速在水相中移动，能快速分散氧化铁粉；②分子链较短，可以为氧化铁色浆提供良好的流动性。当FX600的用量为4.5％，BYK-190的用量为0.5％时，水性氧化铁色漆的储存稳定性、冻融稳定性和耐水性肯定不行；当BYK-190用量为2％，而FX600的用量为3％时，BYK-190的分子链会产生局部缠绕，导致氧化铁色浆的粘度稍高；当BYK-190用量为4.5％，而FX600的用量为0.5％时，BYK-190的分子链会产生严重缠绕，导致氧化铁色浆流动性太差，不能满足砂磨机的进料粘度。因此，优选的BYK190与FX600的比例为1.5:3.5。
表5实施例3改变分散剂比例制备水性单组份氧化铁色漆的基本配方
表6实施例3分散剂比例与水性单组份氧化铁色漆性能的关系
实施例4
表7是实施例4在保证其他物料不变的情况下，改变防沉剂类型制备水性氧化铁色漆的投料配方，其配方编号依次为13、14、15和16。按实施例1制备水性单组份氧化铁色漆的工艺过程制备表7所示编号为13～16的4种氧化铁色漆，按实施例1制备氧化铁色漆膜的工艺过程制备漆膜。
由配方13、配方14、配方15和配方16制备的水性单组份氧化铁色漆的性能如表8所示。由表可知，当选用RD或DE作为防沉剂时，水性单组份氧化铁色漆具有优异的储存稳定性、冻融稳定性、遮盖力、附着力、柔韧性、耐水性、耐化性和耐候性，但是因为DE带有粉红色，影响氧化铁色漆的色相，所以不适用于制备氧化铁色漆；当选用A200或FX1070作为防沉剂时，水性单组份氧化铁色漆具有优异的遮盖力、附着力、柔韧性、耐水性、耐化性和耐候性，但是其储存稳定性、冻融稳定性不合格和施工性较差，主要表现在储存后出现沉降分水，施工性差主要体现在喷涂时出油不顺畅，易流挂。这是因为RD和DE作为有机蒙脱土类防沉剂，其参与共研磨时，可以均匀分散在颜料和体质颜料中，然后其在水中电离，从而在表面出现电荷层，通过电荷层的静电斥力和大分子分散剂的空间位阻使得氧化铁粉稳定在体系中，其示意图如附图1所示。同时，若这种稳定结构被外力破坏之后，其可以通过电荷作用快速恢复，这就为体系提供了高触变性和良好的施工性；A200属于二氧化硅类防沉剂，其防沉机理是靠粒子间的氢键作用，众所周知，电荷的作用力会远大于氢键的作用力，所以A200的防沉性不如RD和DE，由其制备的氧化铁色漆的触变性和防流挂性也较弱；FX1070属于缔合型聚氨酯类型的增稠剂，其没有电荷作用，也没有氢键作用，所以其防沉性不如RD、DE和A200，由其制备的氧化铁色漆的触变性和防流挂性最弱。因此，优选的防沉剂是RD。
表7实施例4改变防沉剂类型制备水性单组份氧化铁色漆的基本配方
表8实施例4防沉剂类型与水性单组份氧化铁色漆性能的关系
实施例5
表9是实施例5在保证其他物料不变的情况下，改变防沉剂用量制备水性氧化铁色漆的投料配方，其配方编号依次为17、18、19和20。按实施例1制备水性单组份氧化铁色漆的工艺过程制备表9所示编号为17～20的4种氧化铁色漆，按实施例1制备氧化铁色漆膜的工艺过程制备漆膜。
由配方17、配方18、配方19和配方20制备的水性单组份氧化铁色漆的性能如表10所示。由表可知，当RD用量为0.5％时，水性氧化铁色漆具有优异的遮盖力、附着力、柔韧性、耐水性、耐化性和耐候性，但其储存稳定性和冻融稳定性不合格，主要表现在储存后出现沉降分水；当RD用量为0.7％时，水性氧化铁色漆具有优异的各项性能；当RD用量为1.0％时，水性氧化铁色漆具有优异的储存稳定性、冻融稳定性、遮盖力、附着力、柔韧性、耐化性和耐候性，但其耐水性不合格，且氧化铁色浆的粘度过大，影响了生产效率；当RD用量为1.3％时，氧化铁色浆的粘度非常大，已经超出砂磨机的研磨粘度。因此，优选的防沉剂RD用量为0.7％。
表9实施例5改变防沉剂用量制备水性单组份氧化铁色漆的基本配方
表10实施例5防沉剂用量与水性单组份氧化铁色漆性能的关系
实施例6
表11是实施例6在保证其他物料不变的情况下，改变增稠剂类型制备水性氧化铁色漆的投料配方，其配方编号依次为21、22、23和24。按实施例1制备水性单组份氧化铁色漆的工艺过程制备表11所示编号为21～24的4种氧化铁色漆，按实施例1制备氧化铁色漆膜的工艺过程制备漆膜。
由配方21、配方22、配方23和配方24制备的水性单组份氧化铁色漆的性能如表12所示。由表可知，采用FX1070和RM-8W制备的氧化铁色漆具有优异的各项性能；而用HV30和RHEOLATE 420制备的氧化铁色漆具有优异的储存稳定性、冻融稳定性、遮盖力、附着力、柔韧性、耐化性和耐候性，但其耐水性不合格。这是因为，FX1070和RM-8W是缔合型聚氨酯增稠剂，HV30和RHEOLATE 420是属于乳液型的碱增稠助剂，缔合型聚氨酯增稠剂的耐水性要比乳液型的碱增稠助剂要好。因此，优选的增稠剂是FX1070或RM-8W。
表11实施例6改变增稠剂类型制备水性单组份氧化铁色漆的基本配方
表12实施例6增稠剂类型与水性单组份氧化铁色漆性能的关系

Claims (9)

1.一种水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，由以下按重量比计的原料组成：
所述的氧化铁色浆由以下按重量比计的原料组成：
所述的助溶剂为亲水性的和亲油性的醇醚类助溶剂按质量比为1:1-5的比例复配，其中亲水性的助溶剂是聚乙二醇或聚丙二醇，亲油性的助溶剂的沸点低于160℃，同时蒸发潜热低于530KJ/Kg；
所述的分散剂为阴离子型的高分子量的分散剂的和阴离子型的低分子量的分散剂复配，其中高分子量的分散剂的数均分子量＞20000，低分子量的分散剂的数均分子量是3000-10000；所述的阴离子型的高分子量的分散剂与阴离子型的低分子量的分散剂的重量比为1.5-2:3-3.5。
2.根据权利要求1所述的水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，氧化铁色漆中所述的消泡剂为非有机硅类消泡剂。
3.根据权利要求1所述的水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，氧化铁色浆中所述的消泡剂为有机硅类消泡剂。
4.根据权利要求1所述的水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，所述的润湿剂为不稳泡的润湿剂。
5.根据权利要求1所述的水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，所述的防沉剂为有机蒙脱土类防沉剂；所述的氧化铁粉为氧化铁黄粉或氧化铁红粉或氧化铁黑粉。
6.根据权利要求1所述的水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，所述胺中和剂是沸点高于130℃的胺中和剂。
7.根据权利要求1所述的水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，所述的流平剂是具有基材润湿和流平的双重功能的流平剂。
8.根据权利要求1所述的水性单组份氧化铁色漆，其特征在于，所述的增稠剂是缔合型聚氨酯类增稠剂。
9.一种制备上述权利要求中任一项所述的水性单组份氧化铁色漆的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将去离子水、助溶剂、分散剂、润湿剂和消泡剂混合均匀后，加入防沉剂和氧化铁粉，在8-9m/s的线速度下分散10-15min，最后进入砂磨机研磨至细度＜5μm，即得氧化铁色浆；
(2)将水性聚氨酯树脂、胺中和剂混合均匀后，缓慢加入经过步骤(1)制备得到的氧化铁色浆，分散均匀后，再加入消泡剂、流平剂和增稠剂，搅拌分散，过滤出料即得水性氧化铁色漆。
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