汽车用水性底色漆中的助剂应用

据统计，在汽车配套涂料系统未实现水性化之前，溶剂型底色漆（ basecoat ）在汽车车身涂装过程中所释放的 VOC （挥发性有机化合物）约占整个涂装过程所释放 VOC 总量的 50% ，是汽车配套涂料（水性电泳底漆、溶剂型中涂、溶剂型底色漆和溶剂型清漆）中 VOC 含量最高的一部分。底色漆的水性化对降低汽车涂装总的 VOC 排放量的作用十分重大。因此，在 20 世纪 90 年代欧洲已成功开发了水性底色漆，且在汽车涂装线上与水性中涂一起普遍使用。同时在美国和日本水性底色漆的使用也在逐渐扩大。
中国的汽车工业近年来发展十分迅速，汽车涂装中的环保问题已提上议事日程。国家环保局于去年 8 月发布了《汽车涂装清洁生产标准》，第一次对汽车涂装中的 VOC 排放做出了具体规定。一些国际性的汽车制造公司从 2004 年开始已先后在国内多条涂装线上使用进口的水性底色漆。目前，一些国际性的油漆公司已开始在中国生产水性底色漆，不少国内公司也开始了水性底色漆的研发工作。在水性涂料中，助剂的使用比在溶剂型涂料中更为重要。本文就水性底色漆中的助剂应用作一些介绍，供有关读者参考。
1、水性底色漆的性能要求
以前只在金属闪光面漆中采用底色漆 - 罩光清漆工艺，现在为提高面漆的装饰性，对实色漆欧洲也采用了底色漆 - 罩光清漆工艺。相比实色漆而言，含效应颜料（铝粉和珠光粉等）的水性底色漆的要求更高一些。因此本文着重讨论这类底色漆。水性底色漆的性能要求主要有以下几点：
（1） 着色颜料分散均匀稳定；
（2） 效应颜料分散均匀，定向排列好：外观均匀，无花斑，无云块状色差，随角异光异色效应明显；
（3） 效应颜料的抗沉降性好；
（4） 对底材（中涂）的润湿性好；
（5） 施工时和成膜后无气泡。
本文将对提高水性底色漆的上述性能的助剂应用作一介绍。
2 着色颜料的分散
水性底色漆中的颜料分散通常可采用两种方法：一种是有树脂研磨法，另一种是无树脂研磨法。有树脂研磨法的常用润湿分散剂是 DISPERBYK-184 ，它是一种水性工业涂料中常用的解絮凝型高相对分子质量润湿分散剂，适用于各种有机和无机颜料。对钛白粉，也可使用 DISPERBYK-180 。研磨用树脂的 pH 应预先调整为 8 左右。为防止研磨过程中的泡沫，研磨料中应加有消泡剂，如 BYK-011 和 BYK-024 等。在研磨料中也可添加助溶剂，如乙二醇丁醚。
在无树脂研磨法中，应使用 DISPERBYK-190 或 DISPERBYK-2010 。它们是 2 个专为无树脂研磨法开发的水性体系用解絮凝型高相对分子质量润湿分散剂，适用于各种有机和无机颜料。根据颜料和配漆体系的不同， DISPERBYK-190 和 DISPERBYK-2010 两者中的一个效果会更好些，应通过试验来选用。无树脂研磨法的研磨料由颜料、去离子水、润湿分散剂和消泡剂所组成。研磨前和研磨过程中都无需调节 pH ，也不加入树脂、胺类、有机助溶剂、增稠剂等其它组分，否则会影响颜料浆的研磨效果。只有在颜料浆研磨完成后才可以加胺调节 pH ，加树脂、助溶剂等其它组分。无树脂研磨法的研磨料配方举例见表 1 。
表 1 无树脂研磨法的研磨料配方举例

注：或用 DISPERBYK-2010 。
3 铝粉和珠光粉的分散
由于水和铝接触会发生反应而产生氢气，因此用于水性体系的铝粉都要经过表面处理或包覆。目前在市场上有很多用不同方法处理的水性体系用的铝粉，可在水性底色漆中使用。一般来说，以二氧化硅包覆的水性铝粉（如 Eckart 公司的 StapaHydrolan 系列）和以铬酸钝化处理的水性铝粉（如 Eckart 公司的 Stapa Hydrlux 系列）有较长期的水中稳定性。
铝粉颜料浆必须用润湿分散剂进行分散，才能分布均匀，否则有聚集体颗粒，会影响最终漆膜中的铝粉分布和外观，见图 1 。

图 1 铝粉颜料浆的分散稳定性
用硅包覆的铝粉，如 Stapa Hydrolan 系列，可用 DISPERBYK-180 来分散。用铬处理的铝粉，如 StapaHydrolux 系列，可用 DISPERBYK-192 和 BYK-345 一起来润湿分散。 BYK-345 是一种有机硅表面活性剂，能改进对铝粉表面的润湿。 DISPERBYK-192 除了使铝粉分散稳定之外，还有提高水性铝粉对水稳定性的作用。水性铝粉分散浆的参考配方见表 2 。配方中 BYK-420 是一种水性体系用的流变助剂，用于铝粉的防沉。
表 2 水性铝粉分散浆的参考配方

云母珠光粉是铝粉之外的另一种效应颜料。云母珠光粉不会与水反应。可用于云母珠光粉的润湿分散剂除 DISPERBYK-180 和 DISPERBYK-192 之外，还可以用 DISPERBYK-190 。
4 水性底色漆中效应颜料的定向和防沉
在金属闪光底色漆中，效应颜料对底材平行的定向排列对其外观质量十分重要。在溶剂型底色漆中，效应颜料的定向排列主要是靠施工过程中有机溶剂（如醋酸丁酯）的迅速挥发，漆膜的体积收缩以及流变控制组分，如蜡分散体的作用而达到。但在水性体系中由于水的蒸发潜热大，挥发很慢，到达工件表面时湿涂膜中水的含量仍较高，铝粉很容易活动而使定向变差。虽然可以采用吹热风等措施进行强迫干燥，加快水的蒸发，但如果没有其它措施，效应颜料不能得到好的定向。经研究，水性底色漆所用基料树脂的流变性和粘弹性对效应颜料的定向排列有十分重要的作用。聚合物的粘弹性中，弹性分量大于粘性分量，其流变性能呈纯假塑性流动（剪切后粘度恢复无滞后现象）的基料将使效应颜料有较好的定向排列。
一些能使体系增加假塑性流动的水性流变助剂（增稠剂）也有助于效应颜料的定向排列，如碱溶胀性丙烯酸酯类增稠剂。 BYK-425 是一种脲改性的聚氨酯型水性体系用流变助剂，能使水性体系呈假塑性流动，可在水性底色漆中用于效应颜料的定向和防沉。
5 底材润湿剂
良好的底材润湿是涂料能铺展成膜及流平的前提。液态涂料的表面张力应小于或至少等于底材的表面张力才会有较好的底材润湿。由于水的表面张力很高（ 72 mN/m ），所以水性涂料只有在降低了表面张力后，才能润湿底材。助溶剂，如乙二醇丁醚的存在，能使水性体系的表面张力降低，但降低的程度还不足以润湿底材，因此在水性底色漆中应另加底材润湿剂。 BYK-345 和 BYK-347 是 2 种常用的水性涂料用底材润湿剂。在它们的分子结构中硅氧烷的链节很短，具有表面活性剂的极性和非极性结构，所以也叫有机硅表面活性剂。与一般的分子链较长的有机硅助剂和另一类也可用于底材润湿的有机氟表面活性剂不同， BYK-345 和 BYK-347 在降低涂料和底材之间的界面张力的同时，不会稳泡。 BYK-347 在施工后基本上趋向于与底材接触的界面，而 BYK-345 则也有一部分会趋向于涂膜的气液界面（表面）。所以使用 BYK-347 时对水性底色漆的表面张力影响小，有利于下一道涂料（罩光清漆）的润湿，但对飞溅的漆雾接受性稍差。而 BYK-345 则在促进底材润湿的同时又能适当降低涂膜的表面张力，因而可改善涂膜的漆雾接受性。使用 BYK-345 还是 BYK-347 ，或者两者合用，可根据配方和性能要求经试验确定。  6 消泡剂
水性涂料比溶剂型涂料容易起泡，因此水性底色漆中必须有消泡剂。常用的消泡剂是 BYK-028 和 BYK-011 ，它们都是比较温和的消泡剂，与体系的相容性较好，不会引起缩孔等弊病。对不含效应颜料的底色漆，则可在磨颜料浆时加入消泡作用较强的消泡剂，如 BYK-012 、 BYK-017 和 BYK-024 ，但它们对最终涂膜有无不良影响（如缩孔），应在试验中评定而确定是否使用。 BYKETOL-WS 是一种防止漆膜烘烤时水分爆泡和消除针孔的助剂，也可根据需要添加。
表 3 是一个银色水性底色漆的试验配方，供读者参考。
表 3 银色水性底色漆的参考配方