低温固化无铅阴极电泳涂料的制备-色素炭黑

 低温固化无铅阴极电泳涂料的制备

色素炭黑

合成了一种封闭异氰酸酯树脂,筛选了取代金属铅的复合催化固化剂并制备成浆料,从而制作了低温固化无铅阴极电泳涂料;检测了电泳涂料槽液参数和涂膜的性能,通过Gel分率评价了涂料的固化情况.试验结果表明,制备的固化树脂与筛选的复合催化剂配合使用能降低涂料的固化温度,并不影响电泳涂料的综合性能,复合催化剂能取代铅催化剂在阴极电泳涂料中应用.
       阴极电泳涂料在固化过程中,基体树脂中的羟基(-OH)和固化剂中的异氰酸酯基(-NCO)反应,使涂膜具备理想的性能.为促使涂膜固化,需要在涂料中添加固化催化剂[1～3].传统阴极电泳涂料使用各种类型含铅固化催化剂,其中脂肪酸铅与醋酸铅的结合使用催化效果非常理想.醋酸铅为水溶性铅,既可作为水溶性固化催化剂,又可水解结合酸作为颜料分散树脂的中和剂,能起到促进固化和中和作用;脂肪酸铅作为固化促进剂可改善涂膜的耐干燥斑痕性能;铅在涂膜中还能提高涂膜的耐腐蚀能力.但铅是最严重的环境污染物之一,由于环保法规的限制,含铅的电泳涂料已经不能满足涂料涂装的发展.阴极电泳装作为新兴的防护装饰手段,取代涂料中所用的含铅催化剂势在必行.而为了加强环保节能,还必须进一步减少阴极电泳涂料涂装过程中的有机挥发份,降低涂料的固化温度.因此本工作制备了低温固化剂,并筛选出了固化催化剂,从而开发出了低温固化的无铅阴极电泳涂料.
1试验
1.1固化剂体系的制备
       在有冷凝器和氮气保护及回流装置的四口烧瓶内,投入100g甲苯二异氰酸酯和3g甲基异丁基酮,升温至65℃;在65～75℃之间滴加51g甲乙酮肟,异氰酸值控制为160±5;加入21g三羟甲基丙烷,加完后升温至120℃,保温2h,使异氰酸值控制为28±1,降温至100℃滴加10g甲乙酮肟,搅拌30min后加入17g甲基异丁基酮稀释,异氰酸值控制为1以下,固化剂固体分控制为(90±2)%.
1.2催化固化剂浆料的制备
       将4.7g颜料分散树脂(广东某企业生产,牌号ED2506),3.1g去离子水和2.6g乙二醇丁醚投入容器中搅拌均匀,再加入3.6g固化催化剂高速分散,在砂磨机中研磨至细度小于15μm,过滤包装待用.
1.3阴极电泳涂料制作
       (1)乳液制备将树脂(广东某企业生产,牌号ED2506,ED2507,ED2508,ED2509),助溶剂,酸,乳化剂依次加入反应釜中搅拌混合均匀,温度控制在40℃以下;再缓慢加入至盛有去离子水和酸的反应釜中高速乳化1h,乳化温度控制在30℃以下,升高温度至40～60℃对乳液抽提,提取乳液中的溶剂,再用过滤器过滤.
       (2)色浆制作将计量的各种树脂,溶剂,酸和去离子水依次加入分散容器中,开动搅拌混合均匀,加入颜料和催化剂高速分散至看不见碳黑干粉后,用砂磨机研磨至细度合格,调整其固体分到控制指标范围内.
1.4电泳槽液参数和涂膜性能测定
        按色浆/乳液/去离子水为1/3/4配槽,依据GJB/T10242-2001《阴极电泳涂装通用技术规范》检测电泳槽液参数.
        将涂料在1200℃的温度下烘烤120min,再用差示热分析(DSC)测定热性能.用检测Gel分率的方法评价固化程度[5].Gel分率测定法如下:按规定磷化好试片,准确称取磷化试片的质量,精确到0.1mg;按规定的条件制作电泳涂膜,放入干燥器中冷却,称量;将试片全浸入乙二醇乙醚和甲基异丁基甲酮的混合液(质量比1z1)中,在20～30℃下浸泡24h后,取出擦干溶剂,在120℃条件下烘烤1h,放入干燥器中冷却后称量..
2.1固化剂的固化效果分析
       阴极电泳涂料传统固化体系为由异氰酸酯和较高分子量的封闭溶剂制作两官能团的封闭异氰酸酯树脂.常用的封闭体系解封温度都在160℃以上,导致整个涂膜的固化温度高达180℃左右.从固体涂料的DSC曲线(见图1)来看,133℃和148℃出现了两个吸热峰,表明固化剂封闭溶剂在这两个温度解封,释放出-NCO基团交联,为涂料低温固化提供了条件.
       用丙酮擦拭涂膜表面,通过观察外观来判断是否完全固化,误差很大.本工作采用测量Gel分率的方法,测量涂膜在溶剂中的绝对损失量来判断固化程度,误差相对较小,一般认为Gel分率在90%以上,涂膜固化完全.从图2试验结果可知新固化体系使涂料的固化温度降低了15℃,为低温固化提供了条件.
2.2环保催化剂的选择
       阴极电泳涂料在固化过程中,基体树脂中的羟基(-OH)和固化剂中的异氰酸酯基(-NCO)反应,大分子形成牢固的网状结构,才能使涂膜具备理想的性能.从试验结果可知如果不采用固化催化剂,即使采用新的固化剂,漆膜固化温度仍然较高,影响生产效率并增加能源的消耗.在涂料中添加固化催化剂降低固化温度非常必要,为此,筛选了几种替代传统铅催化剂的金属催化剂,测量了固化温度(Gel分率大于90%的烘烤温度),耐腐蚀性能和表观性能.
      从试验结果可知,金属B和A催化效果最好,二者搭配使用,防腐蚀性能也能达到要求,但二者在涂料中的分散性能都很差,影响涂料的生产效率和涂膜的外观.相对而言,金属C的催化效果和耐腐蚀性能较差,但非常容易分散.金属A和金属C配合使用时,催化效果,耐腐蚀性和分散性能均可达到理想的结果.为确定所选催化剂的催化效果,检测并比较了涂料在含铅催化剂,无催化剂和新复合催化剂(A+C)作用下的Gel分率,耐盐雾性能,
(1)制备了能有效降低阴极电泳涂料固化温度的固化剂,筛选出取代金属铅的固化催化剂,制作并检测了涂料和涂膜的性能,制得的阴极电泳涂料能在155℃的较低温度下固化,并且涂料在无铅催化剂的情况下并不影响涂膜的性能.
(2)环保型阴极电泳涂料满足RoHS指令的要求,在五金,家具,灯饰等出口加工领域有广阔的市场.
(3)如果固化剂采用脂肪族异氰酸酯制作,在阴极电泳涂料的主体树脂中引入丙烯酸树脂,将会提高涂料的耐候性,拓宽阴极电泳涂料的使用范围.