研制环保型汽车用水性环氧树脂底漆

新型第5类水性环氧树脂体系为基料，添加无毒无污染防锈颜、填料，选择适宜的助剂，制备了环保型双组分低温烘干型汽车用底漆。研究了水性环氧体系的成膜性能，环氧基与胺氢的摩尔比和颜料体积浓度（PVC）对漆膜耐盐雾性能的影响。

自2003年1月1日《中华人民共和国清洁生产促进法》实施以来，2006年1月1日《环境标志产品技术要求——水性涂料》法规又相继实施，汽车涂装行业也从2006年12月1日起实施《清洁生产标准汽车制造业（涂装）》行业标准。一系列环保法律、法规的实施，加快了涂料朝高固体分、无有害溶剂、无毒、无污染、水性化方向的发展。本文结合汽车制造业现阶段涂装工艺的特点，研究了第5类水性环氧体系中环氧树脂与环氧固化剂的成膜性能，环氧基与胺氢的摩尔比和颜料体积浓度（PVC）对漆膜耐盐雾性能的影响，开发了环保型汽车用水性环氧树脂底漆。

1·实验部分

1.1原材料

水性环氧树脂乳液：自制。

水性环氧固化剂：自制。

颜、填料：钛白粉、磷酸锌、三聚磷酸铝、复合磷

钛粉、云母、硫酸钡等，均为工业品。

助剂：润湿剂、分散剂、消泡剂、流平剂、闪蚀抑制剂、防霉剂、偶联剂、防沉剂、增稠剂、pH值调节剂等。

溶剂：去离子水。

1.2底漆的制备工艺

甲组分：首先用高速分散机在低速搅拌下，将润湿剂、分散剂、部分消泡剂加入到水性环氧固化剂中分散充分；再慢慢投入颜、填料，混合均匀后高速分散充分；然后用砂磨机研磨至细度符合要求；最后补加消泡剂（部分）、闪蚀抑制剂、防霉剂、流平剂、偶联剂、防沉剂、增稠剂、pH值调节剂等，用去离子水调整到适宜的粘度。

乙组分：水性环氧树脂乳液（自制）。

1.3性能检测及主要仪器、设备

检验总依据：GB/T13493—92《汽车用底漆》。附着力：用QFZ-Ⅱ型漆膜附着力测定仪（天津科联材料试验机厂），按GB1720—79测定。

柔韧性：用漆膜柔韧性测定仪（上海现代环境工程技术有限公司），按GB1731—79测定。耐冲击性：用QCJ型漆膜冲击器（天津中环试验机厂），按GB1732—79测定。

硬度：用QHQ型涂膜铅笔划痕硬度测定仪（天津科联材料试验机厂），按GB6739测定。耐盐雾性：用盐雾腐蚀试验箱（金坛市金鹰环境试验设备有限公司），按GB1771—92测定。

1.4底漆的主要性能指标

底漆的主要性能指标见表1。

2·配方设计

2.1水性环氧树脂乳液和水性环氧固化剂的选择

2.1.1对去离子水的容忍度试验

水性环氧树脂和水性环氧固化剂对去离子水的容忍度是决定制漆性能的关键之一，分别按4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2比例与水混合静置。不出现破乳、分层现象，静置时间越长，表明对去离子水的容忍度越高。通过试验，选择1∶1比例（按固体计约占25%）、静置3d以上不出现异常现象的环氧乳液或环氧固化剂制漆。

2.1.2清漆漆膜性能试验

按环氧基/胺氢的摩尔比在（0.8~1.2）∶1范围将不同比例的水性环氧树脂乳液和环氧固化剂混合，可添加适量助剂。喷涂在马口铁板上，干燥后观察漆膜的透明性、检测漆膜的附着力、硬度、柔韧性、耐冲击性等指标。选择外观透明、漆膜性能指标高的水性环氧树脂乳液和水性环氧固化剂制漆。

2.2颜、填料的选择

依据《环境标志产品——水性涂料》要求，不选择红丹、锌铬黄、锶铬黄、中铬黄等防锈性能突出但有毒的防锈颜料。选择磷酸锌、三聚磷酸铝、复合磷钛粉等环保型化学防锈性能好的颜料，主要是在涂层内离解出磷酸根离子或三聚磷酸根离子，与基材金属离子形成致密附着膜，从而抑制腐蚀；选择云母等物理防锈好的片状填料，有效减缓空气中的水、氧气对漆膜的透过性从而减缓腐蚀。

2.3助剂的选择

2.3.1润湿、分散剂根据颜填料的种类、粒径、分散难易程度，主要从成膜物阴、阳离子角度考虑，选择非离子型润湿、分散剂。

2.3.2消泡剂

主要从与基料的相容性、抑泡、破泡效果等几方面对比选择。部分消泡剂研磨时加入，部分消泡剂调漆时补加，以发挥消泡剂的整体抑泡、破泡能力。

2.3.3流平剂

甲、乙两组分按比例配制好后喷涂于底材上，观察漆膜是否出现桔皮、缩孔等异常现象，流平剂用量以不出现桔皮、缩孔等异常现象的最小用量为宜。

2.3.4抗闪蚀剂

水的表面张力大，在空气中的挥发速度相对溶剂型涂料慢，漆膜表干时间长，钢铁表面极易产生闪锈，在低温（5℃以下）或高湿（80%以上）条件下更是如此，严重影响漆膜外观和耐腐蚀性能。常加入亚硝酸盐、苯甲酸盐加以防止，考虑到会影响耐水性等，没有选用，选用了表面活性剂类型的胺类高分子助剂。在低温和高湿度环境条件下都能达到理想的效果。

2.3.5pH值调节剂

由于水性环氧固化剂与颜、填料一起研磨制得的甲组分体系本身呈碱性，选择了醇胺类高分子pH值调节剂，以保证漆浆体系的长期贮存稳定性。同时还有助于润湿和分散。

2.3.6增稠剂

根据现阶段汽车制造业底漆涂装工艺的特点，大部分是采用湿碰湿一次喷涂、喷涂时间间隔短、湿漆膜比较厚，水性涂料相对溶剂型涂料挥发慢，更易出现流坠、流挂等涂膜弊病，尤其是低温高湿环境条件下施工更是如此。考虑到常用的纤维素等碱溶胀型增稠剂对漆膜的耐腐蚀性能有影响而没有选用，选用了聚氨酯缔合型增稠剂以改善湿漆膜表干之前的抗流挂性，同时也增强了施工喷涂时的可厚涂性。

2.3.7·偶联剂

为了增强水性环氧汽车底漆对底材的附着力，可考虑添加硅烷类偶联剂，最好选用带环氧或者氨基等活性反应基团的，仍需要对比空白与添加后对漆膜耐腐蚀性能的影响。

2.4·颜料体积浓度（PVC）对漆膜性能的影响

通过调整颜基比配制不同颜料体积浓度（PVC）的产品，对比耐盐雾性能的变化：PVC太低，成膜体系中基料粒子包覆颜料粒子后有大量的剩余；PVC太高，成膜体系中基料粒子不能完全包覆颜料粒子，都会影响漆膜的致密性从而影响漆膜的耐腐蚀性能。根据GB/T13496—92《汽车用底漆》的要求、权衡漆膜的综合性能，配方PVC控制在21.7%~37%为最佳。漆膜耐盐雾性随PVC的变化趋势见图1。

2.5环氧基与胺氢的摩尔比对漆膜性能的影响

理论上，按环氧基与胺氢的摩尔比1∶1刚好完全固化反应。但通过调整不同环氧基与胺氢的摩尔比，对比漆膜耐盐雾性能的变化，结果发现：环氧基稍微过量，漆膜耐盐雾等性能提高，相反，胺氢稍微过量，漆膜耐盐雾性能等降低，无论哪种组分过量太多，漆膜耐盐雾性均发生急剧变化。根据GB/T13493—92《汽车用底漆》的要求、权衡漆膜的综合性能，配方中环氧基与胺氢的摩尔比控制在0.87~1.15范围最佳。漆膜耐盐雾性随环氧基与胺氢摩尔比的变化见图2。

3·结语

研制水性环氧汽车涂料与研制溶剂型涂料一样，与配方体系的基料、颜填料、助剂、溶剂等密切相关，更要注意水性涂料的固化机理和施工工艺的特殊性，经过多方面反复试验验证，才能更好地满足应用要求。