【现代涂层技术】
新型聚丙烯酸分散体在水性银粉漆上的应用
刘庆兰*，李金旗
（拜耳材料科技贸易(上海)有限公司，拜耳聚合物研发中心，上海 201206）
摘 要：合成了一种新型水性聚丙烯酸分散体，介绍了其性能特点，讨论了成膜助剂对其最低成膜温度的影响。将该聚丙烯酸分散体应用于水性银粉漆中，结果发现，新型聚丙烯酸分散体所得涂膜的性能达到或超过应用指标要求。与传统的丙烯酸乳液相比，其涂层具有较好的外观、铝粉定向效果及较高的硬度，而且在很多塑料(如ABS和HIPS)底材上有良好的附着力、耐水性以及光泽度，并有非常优异的耐酒精擦拭性能。该产品以其贮存稳定、施工简便、成本低廉而获广大客户的认可。 关键词：丙烯酸乳液；水性聚丙烯酸分散体；银粉漆；环保 中图分类号：TQ632.2
文献标志码：A
文章编号：1004 – 227X (2010) 02 – 0047 – 04
涂料的要求也越来越高：不仅要求外壳涂料具有一定的装饰效果，而且还要求外壳涂层具有相当高的保护功能。因此，家电外壳用涂料也正朝着高性能、多功能以及水性环保型的方向发展。
丙烯酸树脂是以丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯为基础的高分子聚合物。丙烯酸树脂作为成膜物具有一系列的优点：能很好的粘结着色材料(颜料)，具有良好的成膜性能，且形成的膜透明、有一定硬度，涂层耐光、耐老化、耐干湿擦性能均比较优异。此外，丙烯酸类单体价格便宜，原料稳定。
传统的电视机外壳涂装用涂料多为溶剂型热塑性丙烯酸酯涂料(TPA)。然而，随着环保意识的增强，人们越来越倾向于环保型涂料。目前，水性涂料已成为业内一个热门的话题，水性单组分丙烯酸乳液则成为替代目前广泛应用的溶剂型TPA的首选体系。水性丙烯酸分散体是分散在水相中的热塑性丙烯酸大分子粒子。与溶剂型涂料体系相比，其施工和干燥过程中的气味大大降低(VOC含量较低)。但是丙烯酸分散体也存在耐水和耐溶剂性差等缺点。为了解决以上问题，获得高性能的丙烯酸分散体，可通过粒子设计以及改进聚合工艺等方式来实现。
本文着重介绍拜耳公司的新型聚丙烯酸分散体在配方制备、施工应用以及性能展现等方面的情况。
Application of new polyacrylic dispersion to waterborne silver powder paint // LIU Qing-lan*, LI Jin-qi
Abstract: A new waterborne polyacrylic dispersion was synthesized and its main properties and characteristics were introduced. The influence of film forming assistants on the minimal film forming temperature was discussed. The application of the polyacrylic dispersion to waterborne silver powder paint demonstrated that the performance of the coating with the new polyacrylic dispersion is up to or exceeding the demand of application index. Comparing with the traditional acrylic latex, the coating has good appearance, orientation effect of aluminum powder and high hardness. In addition, the coating had good adhesion, water resistance and luster as well as excellent alcohol resistance on some plastic substrates such as ABS and HIPS (high impact polystyrene). The product has been recognized by clients for its good storage stability, easy construction and low cost. Keywords: acrylic latex; waterborne polyacrylic dispersion; silver powder paint; environment protection
First-author’s address: Polymer Research & Development Center, BMST, Shanghai 201206, China
2 新型聚丙烯酸分散体
2. 1 合成工艺
将引发剂溶液加入加料漏斗，将丙烯酸酯单体混匀后加入另一加料漏斗。将去离子水、乳化剂等加入反应釜中，搅拌均匀后升温，并滴加引发剂水溶液和混合单体。初期缓慢滴加单体，当聚合反应开始、反应体系有明显蓝光时，可适当加快单体滴加速度。反应结束后，中和，搅拌均匀，出料。
新型聚丙烯酸分散体的合成工艺示意图如图1所示。
1 前言
随着生活水平的不断提高，人们对家电外壳表面
收稿日期：2009–12–22
修回日期：2009–12–29
作者简介：刘庆兰（1980–），女，山东人，工学硕士，主要从事水性和溶剂型聚氨酯树脂、丙烯酸树脂和紫外光固化树脂的开发和应用工作。
作者联系方式：(E-mail) qinglan.liu@bayerbms.com。
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新型聚丙烯酸分散体在水性银粉漆上的应用
量不足亦无法成膜，导致漆膜性能下降；用量过大，则容易影响漆膜硬度以及初期性能。
由于该产品本身不含溶剂，因此在选择成膜助剂方面须具有广泛的设计空间。本文研究了4种常用成
图1 聚丙烯酸分散体合成工艺
Figure 1 Synthesis procedure of polyacrylic dispersion
膜助剂──乙二醇丁醚(BG)、二乙二醇丁醚(BDG)、二乙二醇乙醚(EDG)和二丙二醇丁醚(DPnB)，对丙烯酸分散体最低成膜温度的影响，结果如图3所示。
2. 2 新型聚丙烯酸分散体的基本性能
该产品为不含任何共溶剂的苯乙烯丙烯酸共聚乳液。其基本性能指标见表1。
表1 新型聚丙烯酸分散体的基本参数
Table 1 Basic parameters of the new polyacrylic dispersion
图3 4种常见成膜助剂的不同用量对最低成膜温度的影响 性能 指标 性能 指标
Figure 3 Influence of different dosages of four kinds of film 外观 乳白色 粒径/nm ~ 120
forming assistants on the minimal film forming temperature
固含量/% 40 最低成膜温度/°C 85
由图3可以明显看出，BDG和DPnB能显著降低pH ~ 7.0 共溶剂含量/% 0
黏度(23 °C)/(mPa·s) ~ 20 摆杆硬度/s 160 该丙烯酸分散体的最低成膜温度。故可选择BDG或
该产品可应用于一般的工程塑料涂层，也可以应用于电子消费品塑料涂层。其优势在于附着性能良好，可应用于多种塑料基材，如ABS、ABS/PC和HIPS(高抗冲聚苯乙烯)等。此外，该产品的耐化学品性能优异，尤其是耐酒精来回擦拭性能非常出色，非常适合配制银粉漆，具有很好的铝粉定向排列效果。 2. 3 水性分散体的成膜过程
单组分水性分散体的成膜过程不存在任何的化学交联反应，而只是纯粹的物理过程。成膜物质能否体现出最终良好的性能，关键在于水性分散体干燥过程能否形成连续一致的膜。该丙烯酸分散体成膜机理见图2。
DPnB为其成膜助剂。含成膜助剂与不含成膜助剂的涂膜外观如图4所示。
左──无成膜助剂；右──含成膜助剂
Left—Without film forming assistant; Right—Containing film forming assistant
图4 含与不含成膜助剂的涂膜外观对比
Figure 4 Comparison between appearance of films with or
without film forming assistant
在玻璃板上涂膜，不含成膜助剂的分散体由于其本身Tg高，在常温下呈玻璃态，故得到白色不透明的物质，且不成膜，手触即成粉末，见图4的左图。而在合适的成膜助剂帮助下，聚丙烯酸分散体可以形成透亮均匀的薄膜，如图4的右图所示。
图2 聚丙烯酸分散体成膜过程示意图
Figure 2 Schematic diagram of film forming course of
polyacrylic dispersion
2. 4 成膜助剂对最低成膜温度的影响
由于该产品的最低成膜温度比较高(85 °C)，故在室温条件下，它常呈玻璃态，不成膜。因此应用时，配方中需要添加一定量的成膜助剂。常见的成膜助剂都可以使用，但是在选择成膜助剂时，应该考虑成膜助剂在水和分散体粒子中的相容性以及挥发速度。若成膜助剂在成膜过程中挥发速度过快，则很容易引起成膜差，并最终导致涂膜泛白；成膜助剂挥发过慢，将影响漆膜的干燥速度，导致初期涂膜硬度偏低。另外，还应该根据成膜助剂的种类确定其用量。因为用
3 聚丙烯酸分散体在水性银粉漆中的应用
目前，电视机壳广泛采用的是ABS或HIPS塑料材质，基于装饰以及保护的需求，机壳漆具有一定的市场价值。在能达到装饰以及保护的前提下，涂料的施工程序越简便就越受到人们的青睐，特别是水性单组分单涂层体系。因为该类涂料本身施工简单，无活化期，而且涂层既有良好的附着装饰功能，又有相对较高的保护功能。由于人们对具有金属质感的银粉漆爱不释手，因此，本文将水性单涂层银粉漆作为讨论的重点。
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新型聚丙烯酸分散体在水性银粉漆上的应用
3. 1 银粉漆配方
电视机壳用单涂层银粉面漆的配方为：
剂预先混合好，并缓慢添加至乳液中，保持不间断分散10 min。然后开始滴加增稠剂，滴加过程要缓慢进
行。再滴加0.2%的pH中和剂，将pH调至8.5左右，聚丙烯酸分散体 45.0%
然后，将预先分散好的铝银浆倒入，持续分散约20 min。pH中和剂 0.4%
最后用7.3%的去离子水调至喷涂黏度，约为40 s (涂-4去离子水 37.3% 杯，23 °C)。 二乙二醇丁醚 5.0% 3. 3 制板以及性能检测 润湿剂 0.2%
将配制好的银粉漆过滤备用，用异丙醇清洁各种碱溶胀型增稠剂 0.7%
塑料底材，采用常规的喷涂设备进行喷涂施工，制备预分散好的铝银浆 11.4% 3. 2 银粉漆的制备工艺
在烧杯中，将45.0%的丙烯酸分散体和0.2%的pH中和剂混合均匀(保证将pH调至8.0 ~ 8.5)，置于分散机上分散。将30.0%去离子水、二乙二醇丁醚以及润湿
漆膜。喷涂好的样板可自然干燥也可以采用低温烘烤，如60 °C烘烤30 min。将干燥好的样板，置于恒温恒湿环境中(23 °C，相对湿度50%)，养护72 h后进行相关的性能测试。其性能测试结果如表2所示。
表2 单涂层银粉面漆的性能测试结果
Table 2 Test results of performance of monolayer silver powder topcoat
基材 测试结果 测试条件 ABS 5 B PC 5 B
附着力 划格法测试(1 mm × 1 mm) HIPS 5 B
ABS/PC 5 B 铝 5 B ABS 0级，无任何变化
耐酒精擦拭试验 负载1 000 g，浓度大于98%的酒精，来回擦拭50次
HIPS 0级，无任何变化 ABS 0级，无任何变化
耐酒精擦拭试验 负载500 g，浓度大于98%的酒精，来回擦拭200次
HIPS 0级，无任何变化
ABS >H
铅笔硬度(三菱)
HIPS >H 玻璃板 85 s 制板条件：室温下1天
摆杆硬度 玻璃板 150 s 制板条件：室温下3天
玻璃板 160 s 制板条件：室温下7天 ABS 0级，无任何变化
耐水性测试 点法测试，室温下30 min
HIPS 0级，无任何变化
温度50 °C，相对湿度95%，放置 120 h后 ABS 附着力5 B，外观无变化
耐水解性能
HIPS 附着力5 B，外观无变化室温晾置，4 h后划格法测试(11 × 11，1 mm)
妮维雅(SPF 30) ABS 2
耐防晒霜测试 点法测试，室温下30 min
玉兰油( SPF 30) ABS 0 测试项目
3. 4 性能对比
新型聚丙烯酸分散体与传统的丙烯酸乳液所得涂膜的性能对比如表3所示。
表3 新型丙烯酸分散体与传统丙烯酸乳液的性能对比
Table 3 Performance comparison between the new polyacrylic dispersion and a conventional acrylic latex
从表3可知，与传统的丙烯酸乳液相比，新型聚丙烯酸分散体在很多性能上都有很大程度地提高，特别是对各种常用的工程塑料都有非常优异的附着，而且其耐酒精来回擦拭性能更是优异。
4 应用过程中的影响因素──pH
性能对比 新型丙烯酸分散体 传统的丙烯酸乳液
对于丙烯酸体系来说，无论是传统的丙烯酸乳液，硬度 4 3
还是具有核壳结构的新型聚丙烯酸分散体，pH都是影光泽度 4 3
耐酒精擦拭 5 3 响其乳液稳定性的重要因素。另外，pH对于水性银粉附着力 5 4
漆的稳定性也是非常重要的。pH过低，水性银粉漆不
耐水性 5 4
注：5—最好；0—最差。
稳定；过高，其耐水性等性能会受影响。所以无论对
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新型聚丙烯酸分散体在水性银粉漆上的应用
涂料原材料，还是涂料本身，都要严格控制好整个过程中的pH。新型聚丙烯酸分散体本身的pH在6 ~ 7之间，而贮存一段时间后，随着时间的延长，pH有下降的趋势。因此，在制备涂料时，需先确定分散体本身的pH。如果其pH偏弱酸性或中性，则有必要将其pH调至弱碱性，然后再添加其他助溶剂或助剂。常用的碱中和剂有二甲基乙醇胺(DMEA)和三乙胺等等。否则，在后续添加成膜助剂或其他助剂时，pH会进一步下降，导致乳胶粒不稳定而产生不可逆的凝胶颗粒。
在制备水性银粉漆的过程中，pH的控制也非常重要。故要时刻关注体系pH的变化，特别是配方中添加非缔合型碱溶胀增稠剂时，pH会明显下降。因此需要加一定量的碱中和剂，使其pH控制在8.0 ~ 8.5。而且，此类增稠剂在碱性环境下才会发挥其明显增稠的效果。
当水性银粉漆制备好以后，也要注意油漆的pH。因为油漆往往在配好到施工应用前，需要一定的贮存时间和运输时间，所以，也需要确保油漆的稳定性。
[ 编辑：韦凤仙 ]
成品漆的pH最好控制在7.5 ~ 8.5。
5 结语
以新型聚丙烯酸分散备的单涂层水性银粉漆的性能已经达到或超过应用指标要求。涂层具有较好的外观和铝粉定向效果及较高的硬度，而且在很多塑料(如ABS和HIPS)底材上有良好的附着性能、耐水性以及光泽度。更重要的是，基于新型聚丙烯酸分散体的银粉漆具有非常优异的耐酒精擦拭性能，这是传统丙烯酸乳液所无法媲美的。同时，采用该产品制备的水性涂料由于是单组分体系，更适合单涂层应用，因此，不仅施工简便，贮存稳定，而且成本低廉。
目前，该产品在市场上的应用已经得到了广大客户的认可。随着水性技术的不断成熟和推广，相信该产品将以其独有的性能(如硬度、外观、各项抗性及耐酒精擦拭等)，在工程塑料涂料、家电涂料以及电子消费品涂料等领域，具有非常广阔的应用前景。
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