水性汽车PP涂料的制备技术研究

郭逍遥^1,2，汤汉良¹(1．清远市浩宇化工科技有限公司，广东清远511540；2．清远威凛材料科技有限公司，广东清远511500)

摘要：以马来酸肝和丙烯酸改性氯化聚丙烯复配乳液为主要成膜物质,采用无树脂研磨体系,引入功能性助剂及颜料,制备出了性能优异的水性汽车PP涂料,并针对提升聚丙烯附着能力的机理要点进行了研究分析及试验论证,可实现低VOC排放和优异的附着能力,操作方便,对水性汽车涂料和车辆轻量化的发展具有积极的推动作用。

关键词：改性氯化聚丙烯 PP涂料 附着能力 低VOC 轻量化

0引言
汽车产业对国民经济的发展具有重要作用，随着市场需求逐步扩大，我国汽车工业的发展具有巨大潜力，据推测，到2020年汽车保有量将接近3亿辆，2025年将超过3．5亿辆，但是石油消耗总量将大幅上升，对油气能源行业造成巨大压力，全世界75％左右的石油资源被汽车消耗，且车辆用油燃烧排放物造成的环境污染越来越严重，因此，优化控制对车辆燃油的使用量是改善和保护环境的重要方法之一。
随着汽车车身轻量化和石油能源环保的要求，以及材料高端技术的发展，塑料制品在当前汽车行业的应用越来越广泛，以塑料材质减小汽车自身质量实现轻量化，减少石油消耗量是十分必要的。其中聚丙烯类材料具有质量小、资源丰富、加工容易、良好的机械性能和耐化学品性等特点，被广泛应用于汽车内、外饰零部件，如仪表板、保险杠、立柱、侧裙护板、轮罩衬垫等，明显提高了能源利用效率，具有显著的社会和经济效益。同时，随着汽车工业的蓬勃发展，汽车涂料使用量大幅度增长，但是目前国内溶剂型涂料的大量使用对大气环境污染严重，在汽车原厂或修补涂料施工成膜过程中，过多的VOC排放量对环境危害较大。随着人们对环境污染警惕性的增强和环境保护重视度的提高，全球相继制订法规控制VOC排放量，汽车PP涂料向环保方向发展迫在眉睫。本研究的目的在于实现PP底材表面涂料的水性化，采用丙烯酸和马来酸酐改性氯化聚丙烯进行复配，通过无树脂研磨体系，引人功能性助剂及颜料，制备出性能优异的水性汽车PP涂料，可实现减少本涂层65％以上有害挥发气体排放量，该产品和施工过程安全环保，市场前景广阔。
1试验部分
1．1原料与试验器材
氯化聚丙烯，广州市联树商贸有限公司；润湿分散剂，广州松尾贸易有限公司；进口钛白粉，美礼联无机化学公司；水性助剂，BYK。
精密天平，上海恒平；硬度计、CS一390分光测色仪，杭州彩谱科技有限公司。
1．2水性汽车PP涂料的制备
1．2．1 马来酸酐改性氯化聚丙烯的制备
马来酸酐改性氯化聚丙烯配方见表1。

制备工艺：1)在惰性气体环境下，将配方量的溶剂、树脂、单体加人配备有搅拌、加热装置的反应器中；2)分散均匀，加热至100～110℃；3)恒温状态下，加入引发剂过氧化二苯甲酰，加完后保持反应1—2 h，除溶剂；4)以丙酮进行抽提纯化，过滤出料。
1．2．2 丙烯酸改性氯化聚丙烯乳液的制备
丙烯酸改性氯化聚丙烯乳液配方见表2。

制备工艺：1)将0．3 kg的过氧化二苯甲酰溶于丙烯酸类单体混合物中，成分为2、3、4、5；2)在N2保护下，于反应器中加入6和7，并加热至100 oC溶解均匀；3)保持温度，滴加第1步配置的混合物，保持反应3～4 h；4)降温，中和至pH为7～8，均匀搅拌30 min，往体系内缓慢滴加蒸馏水形成均匀乳液，匀速分散50 min，即得丙烯酸改性氯化聚丙烯乳液。
1．2．3复配乳液的制备
在装有搅拌装置的反应器中加入40～60 kg马来酸酐改|生氯化聚丙烯，称量100～140 kg去离子水，在分散过程中缓慢加入，同时加入45～65kg的丙烯酸改|生乳液进行复配，保持1。2 h后即得水|生PP涂料用复配乳液。
1．2．4水性汽车PP涂料的工艺流程
采用不添加树脂条件进行浆体研磨，直接将颜料(填料)、水性助剂和去离子水高速机械混合后，使用水性砂磨机研磨至细度合格，在中速分散状态下，按照配方比例加入复配乳液及水性助剂，分散均匀，即得高性能水性汽车PP涂料，见图1。

1．3涂料性能测试M
按照GB／T 9286--1998进行附着力测定；按照GB／T 23986--2009进行VOC测定；按照GB／T 1730—1993进行铅笔硬度测定。
2结果与讨论
2．1表面涂膜基质附着机理
聚丙烯材料具有轻质、加工工艺简捷、物理性能优良的特点，随着汽车工业轻量化的快速发展，聚丙烯类材料的应用市场越来越宽广，它已成为车身制造的重要部分，但任何塑料件在加工成型过程中或多或少都会留下模具带来的痕迹、毛刺等缺陷，外观不太理想，必须进行涂装以消除塑料件表面缺陷和改善表面性能，在保持与车身色相相同的前提下，更好地提高装饰性和耐候性。但是聚丙烯表面能低，不易进行铺展，对材料表面的涂膜形成产生不利影响，导致附着力差，对聚丙烯塑料底材进行涂装是汽车原厂和修补厂行业内的技术难点。虽然氯化聚丙烯结构中含有氯基团，其物理机械性能，如硬度、耐磨性等方面具有明显优势，耐热、耐老化性能也较好，但是普通氯化聚丙烯对聚丙烯型材的黏附强度还达不到理想技术指标，并且出现与其他体系不相容的问题。
采用马来酸酐对氯化聚丙烯进行改性，并与丙烯酸改陛氯化聚丙烯乳液进行复配作为主要成膜物质，涂料喷涂到具有均匀的微观粗糙结构的聚丙烯底材上，易产生机械锚合锁扣效应，且为全同立构聚丙烯，伴随着分子运动的进行，分子结构上的一CH₃，或一CL沿着聚合链进入聚丙烯间隙内，产生位阻，形成锚固，涂覆于聚丙烯表面时，与聚丙烯材料的化学结构具有相似性，产生良好的表面润湿效果，与底材键合，分子链之间产生彼此扩散，高聚物成分相互缠绕，发生较强的相互作用力，形成良好的附着层。另外，在氯化聚丙烯链上引入马来酸酐基团与丙烯酸改性氯化聚丙烯乳液进行复配，在保证具有良好附着力的前提下，提高了相容性，实现了水性化、VOC低、环保健康。
在水性汽车用涂料体系中，水的表面张力明显大于有机溶剂，对加入颜填料易产生润湿性差和对底材表面浸润差方面的缺陷，适当地引入助溶剂，如丙二醇丁醚、乙二醇丁醚等，优选用量为1％一5％，以降低其表面张力，改善水性涂料体系的挥发速率及增加涂料湿膜的流平性能。另外，在涂料制造和施工过程中，较易出现泡沫问题，需慎重解决，否则会对涂膜整体效果造成严重影响。泡沫的本质是在微观变化的，它的分裂要经过液泡的再分布、膜厚的减薄和膜的破裂，但是在实际操作中，经过这3个过程需要很长时间，故实际制备及施工过程中大多利用到消泡剂。理论上，消泡剂使泡沫液膜局部表面张力降低而消泡，以其较低的表面张力特性，采用微粒的形式渗入到泡沫系统中，使泡沫的表面张力区域性降低。由于低表面张力液体总是向高表面张力的液体方向流动，膜壁厚减小，而被周围表面张力大的膜层强力牵引，发生应力的不均衡，最后导致气泡破裂。消泡剂在使用前须充分搅拌均匀，且在涂料搅拌状态下加入最佳，用量要适当，优选用量为0．1％～0．4％，过量使用会引起缩孔、缩边等负面效果。
2．2基本配方的确定
水性汽车PP底面合一涂料(以白色为例)的基本配方见表3。

按配方依次添加，经专项研磨细度合格后，配制分散均匀后即得水性汽车PP涂料，以1．0：(0．6—1．2)的质量比添加去离子水，搅拌均匀，制得可施工水性汽车PP涂料，黏度控制在25-30 s，其常规性能测试结果见表4。

3结语
本文采用丙烯酸对氯化聚丙烯改性及马来酸酐接枝复配，利用无树脂研磨体系，制备出可底面合一的高性能汽车PP水性涂料。利用马来酸酐对氯化聚丙烯进行改性，不仅使PP底层材料的附着能力大幅度提高，而且马来酸酐的定量引入促进了氯化聚丙烯实现环保水性化的可能性，该水性PP涂料具有较强的附着力、良好的相容性及低VOC排放，市场前景广阔。