0 前言
随着科学技术及现代工业的不断发展,塑料制品已广泛应用于家电、汽车、电子通讯等各行业,成为国民经济建设不可缺少的重要材料之一。但塑料本身的耐紫外光等环境腐蚀性不甚理想,并且在加工成型后也常产生各种表面缺陷。
因此,塑料的应用必须进行“二次加工”,即用涂料对其进行涂装,起到美化装饰作用,并提高其耐蚀耐候性及使用寿命中国建材网cnprofit.com。目前透明塑料背涂工艺逐步取代底漆加UV的家电涂装工艺。
由于高透明度的PMMA和PC塑料难于涂装,PC塑料因自润滑性差,故有应力开裂倾向,并且常常因为注塑成型时残留应力增大,增加开裂的倾向;PMMA断裂伸长率为2%~3%,在力学性能特征范畴基本属于硬、脆的塑料,缺口处敏感性高,在应力增加时易开裂。
这些塑料基材的缺陷让很多设计成型的新款家电产品无法正常上市销售或者被迫选用透明ABS基材。但是,透明ABS塑料容易被氧化黄变,其装饰性能随时间变化迅速降低。本文主要研究一种家电用透明塑料部件防开裂涂料,该涂料将解决PMMA和PC塑料等基材难以涂装的问题,让客户可以选用透明度更高、耐老化性能更优异的PMMA和PC塑料作为机壳素材。
1 试验部分
1.1 水性塑料清漆的制备
在800~1 000 r/min的搅拌速度下,按照清漆配方量(如表1所示)依次加入乳液、润湿剂、流平剂消泡剂、增稠剂和水,搅拌均匀即为水性塑料涂料。
水性塑料清漆配方
注:使用前必须将涂料液充分搅匀,用纯净水稀释至施工黏度,用200~300目滤网过滤。
1.2 水性塑料色漆的制备
水性塑料色漆配方如表2所示。
水性塑料色漆配方
注:使用前必须将涂料液充分搅匀,用纯净水稀释至施工黏度,用200~300目滤网过滤。
1.3 水性塑料涂料施工工艺
(1)将家电用的PC、PMMA塑料基材表面进行预处理:在水润湿的情况下用1 000~1 500目的细纹砂纸对塑料基材的注塑夹水纹或缺陷进行打磨,然后用洗壳水擦净,再用高压 气枪吹尘。
(2)在预处理过的塑料基材表面喷涂水性塑料涂料,然后流平2~3 min,放入烘箱进行烘烤,在温度45~60 ℃下烘烤20 min,并进行涂膜外观和性能检测。
1.4 水性塑料涂料主要技术指标(见表3)
产品性能检测
1.5 试验仪器及设备
高速分散机,篮式砂磨机,喷枪,烘箱,涂4-杯,耐醇擦拭仪,划格法附着力测试仪,铅笔硬度计,色差仪,氙灯老化试验箱,UltraScan PRO光谱光度计,微型三角度光泽计。
2 结果与讨论
2.1 树脂的选择
基料树脂的性能直接决定了涂膜的成膜性能,在选择乳液树脂时,先使用同一成膜助剂,然后通过比较不同树脂配制的清漆所需成膜助剂用量,涂膜的成膜性、附着性和硬度来选择合适的树脂。本试验选用HD1092、PC-21、CR-763、Crysol6120或Crysol6318。表4为这5个不同型号的丙烯酸酯乳液树脂的相关性能参数比较。从表4可见,针对树脂量添加相同用量的成膜助剂,Crysol6318乳液树脂性能明显优于其他4种树脂,因此选择Crysol6318乳液作为目标涂料的基料树脂。
几种不同型号丙烯酸树脂的相关性能参数
2.2 成膜助剂的选择及用量
出于性能方面的要求,如硬度、涂膜干燥速度等,水性塑料涂料的涂膜通常是热塑性的,一般尽量采用高玻璃化温度的聚合物乳液。这样在聚合物低温成膜过程中,就要求加入成膜助剂以帮助成膜。成膜助剂的作用像是一种“临时”增塑剂,用于降低聚合乳液的玻璃化温度Tg,一旦乳胶粒变形成膜完成后,成膜助剂会从涂膜中挥发掉,从而使得聚合物涂膜的Tg值挥发至初始值。另外,成膜助剂一般都是聚合物的良溶剂,加入成膜助剂对涂料的贮存稳定性也有很大的帮助。
本试验选用二丙二醇丁醚(DPnB)、丙二醇丁醚(PnB)、十二碳醇酯(Texanol)、丙二醇苯醚(PPH)或Texanol/PnB和PPH/PnB混合溶剂体系作为成膜助剂添加到水性乳液中,添加量为树脂固体分的6%,考察其涂膜的干燥时间和外观,结果见表5。
成膜助剂的选择
试验结果发现,选用PnB作为成膜助剂,涂膜的干燥速度较快,但是开裂现象相对严重;而选用相对慢干一点DPnB溶剂,涂膜开裂现象有所改善;选用Texanol和PPH,涂膜基本没有出现开裂现象,但是干燥速度明显降低。
所以试验考虑用混合成膜助剂体系Texanol/PnB和PPH/PnB代替纯成膜助剂体系,涂膜干燥速度明显提高,而且只出现轻微的开裂现象。24 h后测试涂膜的硬度发现,PPH/PnB体系的涂膜比Texanol/PnB体系的涂膜硬度高,这是因为相对于PPH而言Texanol更容易残留与涂膜难于挥发,从而影响涂膜的硬度,而且PPH比Texanol毒性更低,更复合环保要求。
所以综合考虑,试验选用成膜助剂PPH/PnB复合体系。当选定好成膜助剂PPH/PnB复合体系后,进一步确定该成膜助剂复合体系的用量对涂膜性能的影响,结果如表6所示。
PPH/PnB成膜助剂体系对涂膜性能的影响
由表6可知,成膜助剂复合体系用量按照乳液树脂固体分用量的4%~8%增加,涂膜的外观由原来的开裂粉化到形成一层平整、光滑、无开裂的连续涂膜,而涂膜的干燥速度由最初的24 min上升至35min。这是由于成膜助剂用量的提高降低了聚合乳液的最低成膜温度MFFT,而且成膜助剂分子进入到聚合物乳液粒子内部,使得乳液粒子表面软化,提高了聚合物的塑性,使得乳液粒子更容易受压变形,融合成膜。综合涂膜外观、干燥速度和成膜过程中VOCs的挥发考虑,试验选择成膜助剂添加量为乳液树脂用量的7%~8%。
2.3 润湿流平剂的选择对涂膜的影响
塑料是一类特殊的基材,具有较低的极性和表面自由能(低于100 erg/cm2),属于难附着材料。润湿流平剂是一种常用的涂料助剂,它能促使涂料在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑、均匀的涂膜。润湿流平剂的作用是当被添加到涂料体系当中以后能够自发迁移到涂膜的表面,提供均匀的表面张力并保持表面张力在整个涂膜干燥过程中(包括溶剂挥发与树脂交联两大过程)不发生大的变化。
一个润湿流平剂的好坏取决于它具有能提供均匀表面张力的能力,与表面张力的高低没有直接关系。只是根据物理学中的能量最低原理,只有降低体系能量的过程才是自发的,所以一个助剂在体系里面要想自发迁移到表面,它必须要能够降低体系的表面能,也就是必须要具备降低体系表面张力的能力。从这一点来说,各种流平剂都有一定的降低体系表面张力的能力,也就是都有一定的润湿能力。本试验选用德国BYK公司提供的一系列润湿流平剂对水性塑料涂料的涂膜性能进行测试筛选,试验结果见表7。
润湿流平剂的选择对涂膜性能的影响
由表7结果可知,使用单一的润湿流平剂,对目标涂料体系的润湿性、流平性、防开裂性和防缩孔性等都有不同程度的作用,但是作用效果单一,流平效果好的,润湿效果一般,防开裂效果佳的,流平性又较差。综上所述,试验选择流平性最佳BYK-333与润湿效果最优的BYK-349混合复配作为目标涂料体系的润湿流平剂,利用其协同作用使得目标涂料涂膜外观达到最佳。
2.4 消泡剂的选择
水性塑料涂料的主要分散介质——水具有较高的表面张力,搅拌时容易产生气泡、稳泡,破泡速率较慢,而所使用润湿流平助剂多为表面活性剂一类,搅拌时容易产生大量气泡,所以在配制目标涂料时需添加配方总量0.2%~0.5%的消泡剂。本试验选用高速分散方法,将市面上常见的几种消泡剂添加到目标色浆体系中进行对比分析,结果见表8。
消泡剂对色浆的影响
由表8可知,迪高825消泡剂的消泡能力较弱,放置12 h表面还有气泡,而且喷涂在塑料基材上观察发现其板面有轻微缩孔;BYK022和迪高810消泡剂的消泡能力较强,短期内能够消除大量气泡,但是喷涂在塑料基材上观察发现板面有较明显的缩孔;而选用BYK011消泡剂的涂料体系喷涂在塑料基材上发现其板面没有缩孔现象,而且其消泡能力较强,短时间内能够消除体系中的大量气泡,12 h后完全无气泡,所以试验确定选用BYK011消泡剂。
2.5 涂膜电镜(SEM)分析
将清漆样板装载在样品架上,进行喷金处理后,然后使用S-3400型电子扫描电镜,在加速电压为15.00 kV条件下,放大5 000倍对市售防锈乳液涂膜和自制苯丙乳液水性防锈涂膜进行观察(见图1)。
涂膜样板
从图1a的SEM照片可以看出,未涂膜的空白塑料基材,表面较为粗糙,白点较多;而图1b可以清晰地看出,经过水性塑料清漆涂装后塑料基材表面,覆盖一层致密、平整光滑的涂膜,同时,原来的白点消失了。而从图1c可以清晰地看出,涂覆了水性塑料色漆的塑料基材表面,颜填料在色漆涂膜中成颗粒状分布比较均匀,涂膜空隙较少且小,说明该水性塑料色漆体系相容性好,清漆对颜填料的包裹能力强。
2.6 涂膜的耐老化测试分析
依据标准GB/T 1865—1997对制备的样板进行氙灯曝露试验,试验后,依据GB/T 11186.2—1989、GB/T 11186.2—1989和GB/T 9754—2007进行颜色测量、色差计算和光泽测量,试验结果见表9。
涂层的耐老化性
试验测试结果表明,本试验制备的水性塑料涂料,其耐老化性能良好,测试前后色差变化小,光泽下降率低,达到预期效果。
3 结语
选择由自交联型水性丙烯酸酯快干乳液树脂Crysol6318作为该水性塑料涂料的主要成膜物,通过试验对比筛选确定PPH/PnB复合溶剂体系作为该水性塑料涂料的成膜助剂,对比确定BYK-333/BYK-349复配混合体系作为润湿流平剂,试验比较选用BYK011作为涂料体系消泡剂。
该产品改善PMMA及PC塑料的涂装困难的现状,各项性能均达到原有水性塑胶的技术指标,突破了溶剂型塑胶涂料的应用范围界限,突出了水性涂料的优势,目前该产品已经通过客户试用认可 。
家电用透明塑料部件涂料的制备与研究
□ 严 博1,2,李达信1,2,许振阳1,2,张红1,2
(1.广州擎天材料科技有限公司,广州 510860;2.中国电器科学研究院有限公司,广州 510080)