铝合金用聚氨酯底漆的制备和性能研究

□ 周 伟，曾凡辉，张步峰，王浩新，李儒剑，王红利(株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

0 前 言

我国高速铁路客运专线迅速发展，列车的提速要求车辆能够轻量化，这样为低密度的铝合金材料在列车上的应用带来了发展，铝合金列车的大量使用为铝合金结构防腐涂料的应用提供了广阔的市场前景。目前铝合金列车底漆存在以下不足之处：对于极性很低的铝合金表面，快干型的聚氨酯类型涂料对铝合金底材的附着力不好，附着力好的环氧类型涂料其干燥时间太长且满足不了湿碰湿的施工工艺要求。

本文研制的丙烯酸聚氨酯底漆对铝合金底材具有优异的附着力、柔韧性，并能满足湿碰湿的施工工艺要求，节约能源，提高效率。

1 试验部分

1.1 主要原材料

丙烯酸树脂(固含量60%，固体分羟值为66)，进口；环氧树脂，国产；聚酯树脂，国产；N3390和N75聚异氰酸酯固化剂，德国拜耳；聚异氰酸酯固化剂，国产；分散剂、流平剂、消泡剂，德国毕克；金红石型钛白粉，美国杜邦；滑石粉，广西龙广；硅烷偶联剂，武大有机硅新材料；有机改性膨润土，海名斯；二甲苯、乙酸丁酯和丙二醇醚酯混合溶剂，国产。

1.2 涂料的制备

将丙烯酸树脂与助剂、填料及溶剂一起研磨制备成铝合金底漆A组分，其试验配方主要从丙烯酸树脂、固化剂、颜填料、助剂及溶剂的选择和它们所占质量分数方面做了优化配套，设计出外观、施工性能优良的铝合金底涂配方。试验中所采用的基本配方见表1。

1.3 性能测试

涂料按GB/T 1727—1992的要求喷涂于试板上，拉开法附着力测试装置采用positest AT附着力测试仪，其他测试均按国标进行检测。
 

2 结果与讨论

2.1 不同改性材料对涂料性能的影响

丙烯酸树脂具有快干性，与聚氨酯、氟碳面漆的配套性能良好，能满足湿碰湿工艺要求。但是仅仅选用丙烯酸树脂作为涂料的主体树脂，其硬度较高，涂膜表现为脆性，其附着力较差。聚酯树脂一般由多元醇和多元酸酯化而成，其线性度较高，因此其柔韧性优异。所以可以在丙烯酸涂料中添加聚酯树脂进行改性。从表2中可以看出，在丙烯酸涂料中添加5%的聚酯树脂，可以增加涂料的附着力、抗冲击强度、硬度和柔韧性能。

2.2 颜料体积浓度对涂膜性能的影响

当颜料在干膜中的含量以体积计时，它在干膜中所占有的体积浓度称为颜料体积浓度(PVC)。当基料足以包裹所有的填料颗粒时，同时又充满填料颗粒之间的空隙时，就可以充分发挥出填料的最大使用性能，这些性能在临界颜料体积浓度(CVPC)时将发生很大的变化。当PVC接近CVPC时，涂膜性能发生很大的变化，涂膜密度、强度和附着力都接近最大值。

从表3可知，随着PVC值的增大，其表干时间变快，但是其附着力显著下降，光泽减小，冲击强度变差。在耐盐雾试验过程中，随着PVC值的增大，涂膜的起泡性逐渐降低，而锈蚀性逐渐增大，且柔韧性、附着力和耐冲击性均逐渐降低。这是因为在低PVC值的情况下，涂层聚合物树脂基料的数量可足以包覆涂层中的颜填料颗粒，此时涂层为一连续致密的膜，而当涂膜中颜料体积浓度超过CPVC(临界颜料体积浓度)值时，涂膜的渗透率和锈蚀增加。当配方的PVC值为30%时，涂料具有最佳的机械性能和耐盐雾性能，耐盐雾腐蚀试验时间可达720 h。

2.3 硅烷偶联剂对涂膜附着力性能的影响

硅烷偶联剂能显著提高涂膜的内聚力和金属基体的附着力。硅烷偶联剂分子有极性基团和非极性基团，硅烷的有机官能团可选择性与树脂反应，硅烷内非极性烷基水解形成硅醇可与金属基体表面的羟基或水反应，通过较氢键和范德华力大很多的化学键将基材表面和涂料连接起来，起到增强附着力的作用。特别是对那些涂料较难附着的金属，如铜和铝等表面附着力的改善尤为明显。在选用丙烯酸树脂+聚酯(5%)体系，PVC值为30%的条件下，考察了不同硅烷偶联剂用量对附着力的影响，结果如图1所示。

从图1中可以看出，随着硅烷偶联剂量的增加，附着力逐渐增大；当用量增加到1.0%时，附着力达到最大的5.88 MPa，之后又略微下降。故硅烷偶联剂最佳添加量为1.0%。当硅烷偶联剂用量增加时，界面的IPN结构也在增加，涂膜的内聚力随之升高，而达到一定量(1.0%)后，由于无机金属基体表面的羟基数量有限，硅烷偶联剂与金属基体形成的氢键和氧丙环键达到一个最大值，使得拉开强度也达到最大值后趋于稳定。

2.4 不同固化剂对涂膜性能的影响

不同的异氰酸酯固化剂由于其结构和所含有的活性官能团不同，其与含羟基的树脂交联反应后涂膜性能也有很大不同。近年来新开发的性能比较好的多异氰酸酯多聚体有TDI三聚体、HDI缩二脲和三聚体，这些多聚体的官能度均在3个以上，相对分子量较小，交联活性高。在选择丙烯酸树脂为基料的条件下，考察不同固化剂对涂料性能的影响，结果如表4所示。

由表4可知，N3390的官能度要高于N75，因此其表干速度要快。国产固化剂虽然官能度较小，但由于其具有自催化效应，导致其反应快，表干速度最快。国产固化剂中苯环结构含有刚性，使交联反应后涂膜硬度高，脆性差，这样导致涂膜的柔韧性很差。另外，固化剂N3390和N75相比，N3390为脂肪族的HDI三聚体，因为该三聚体为一环状结构，化学性能比脂肪族HDI缩二脲(N75)稳定，且交联密度也比缩二脲高，所以附着力和冲击强度较好。

2.5 湿碰湿工艺研究

研究铝合金底漆与常用聚氨酯面漆湿碰湿配套性能，其工艺为喷涂底漆表干30 min后，立即喷涂聚氨酯面漆。试验发现，复合涂层施工性能良好，外观优异，未出现咬底、层间附着力差等问题。复合涂层各项性能如表5所示。

3 结 语

(1)铝合金用聚氨酯底漆添加聚酯树脂，附着力、柔韧性、硬度和抗冲击强度都得到了改善。

(2)硅烷偶联剂能提高涂膜的内聚力和金属基体的附着力。当硅烷偶联剂的添加量为1%时，涂膜的拉开法附着力为5.88 MPa。

(3)不同固化剂对涂膜柔韧性、冲击力和附着力有影响，当选用N3390做固化剂时，涂膜具有优异的综合性能。

(4)铝合金底漆与聚氨酯面漆湿碰湿工艺施工性能良好，涂膜外观平整光滑，附着力达5.76 MPa，机械性能和耐老化性能优异。