中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
水性多組分涂料組成物，特別是水性雙組分涂料組成物是在施工前配制，使兩種或兩種以上分別貯存的組分以一定比例預混合。預混合比例取決于水性多組分涂料組成物的交聯反應化學當量，這些組分，即基料和交聯劑應分別貯存以防止發(fā)生預霧化交聯反應。施工過程具體而言，包括下列步驟：
a)制備含有至少兩種組分(優(yōu)選雙組分)的水性多組分涂料組成物的預混合體，根據需要可加入水；
b)使用至少一個噴杯邊緣線速度范圍10000～25000m/min的高速旋轉霧化器，使預混合物高速旋轉霧化；
c)將霧化好的預混合物施工于底材上。“預混合物”是指準備要施工的水性多組分涂料組成物的混合物，它在加入旋轉霧化器時均勻程度相對較低，并且僅指剛進入旋轉霧化器的混合物，不是指已進入旋轉霧化器的旋杯中的相同的混合物。
預混合物施工于底材采用高速旋轉霧化器，較好的是采用靜電高速旋轉霧化器。如果采用靜電方法，水性多組分涂料組成物可以通過高速旋杯直接帶電的方法，也可以采用間接帶電方法。預混合水性多組分涂料組成物施工于底材(如汽車車身或零部件)可用一道或多道施工，高速旋轉霧化器運動可以采用自動控制儀器，或者可以利用涂裝機器人涂裝于底材表面。
高速旋轉霧化器(例如傳統(tǒng)的適用于液態(tài)涂料涂裝的旋杯)，由金屬制成(如鋁、鈦或精制鋼)，霧化器的圓形旋杯銳邊直徑為5～12cm。旋杯銳邊可以是鋸齒狀的也可不是，但較好的是鋸齒狀的，更好的是直條形、十字形或斜紋形鋸齒狀的。
旋杯邊緣的線速度范圍10000～25000m/min，這是指如果旋杯邊緣直徑6.5cm，轉速范圍為5000～120000rpm；如果噴霧直徑較低，則轉速較高，反之亦然。在各種情況下，旋杯邊緣線速度10000～25000m/min時，通常要比常用于水性多組分涂料組成物的值高10%～150％。旋杯邊緣的線速度越高，得到的涂膜的外觀越好，流平性越好，光澤越高。即使水性多組分涂料組成物預混合時并未使用特殊的混合方法如機械混合機，也無影響。
對每個調整旋轉霧化器，水性多組分涂料組成物的流率范圍為50～500mL/min。此外，操作時使用大流量空氣的高速旋轉霧化中常用的整形氣體比較有利，例如對每個高速旋轉霧化器為100～350L/min。
多組分涂料組成物在施工前的預混合無須特殊的混合設備，水性分散體系在旋杯中時和/或到達底材的過程中和/或與底材接觸時等都可以得到高效分散，已預混合的水性多組分涂料組成物的各組分可以進一步分散，這樣可以得到好的涂膜質量特別是光學表觀質量。
這種新的施工方法特別適用于制備汽車OEM涂料，如水性二道漿、本色和/或特殊效應水性底色漆，特別是水性面漆或水性清漆的施工。
水性多組分底色漆組成物施工干膜厚約10～50μm，膜厚取決于所需的色調(即遮蓋力差的顏色需高的膜厚，反之亦然)，一般水性多組分清漆面漆組成物施工干膜約為30～60μm。施工好的水性多組分涂料組成物可以在160℃以下烘烤固化，較好的烘烤溫度60～160℃。
在汽車涂料生產線上，含有水性多組分涂料組成物的水性多組分底色漆施工于已用電泳底漆涂裝好的汽車車身表面。在電泳涂膜上還可涂裝二道漿層，在噴涂完后，可以在涂裝清漆前干燥或烘干。但較好的施工法為采用濕碰濕工藝(即在20～80℃閃干)，水性底色漆層上涂裝清漆，干膜厚約30～60μm，上述清漆在烘烤溫度為60～160℃一起烘干。
水性多組分涂料組成物較好的用于制備多涂層涂膜的最外層清漆。水性清漆施工于已涂裝有本色或特殊效應涂層的單涂層或多涂層表面，然后烘烤。例如以濕碰濕方法施工得到水性多組分涂料組成物的水性清漆層，水性底色漆層最好要有一閃干過程，如在20～80℃閃干，然后兩涂層一起烘干。例如在汽車生產涂裝線上，兩涂層烘烤溫度范圍60～160℃閃干，較好的80～160℃。
水性多組分涂料組成物，其特征為最初各組分分別貯存，可以分別含有下列各種體系中的一種，包括：(a)至少一種水性組分及至少一種非水性組分；(b)至少兩種水性組分，不含非水性組分；(c)至少兩種非水性組分、水及不含水性組分，但較好的是體系(a)。
在(a)及(b)情況下的水性多組分涂料組成物制備過程中，如必要可以加入水，以得到所需的固含量或黏度。但是在體系(a)及(b)中，加入的水不作為水性多組分涂料組成物的組分之一。在三種體系(a)、(b)及(c)中，加入的水量不能與水性組分混淆。
在含有組分如(a)及(b)中所述的水性多組分涂料組成物中，水性組分可以是水溶性的或外加乳化劑分散或通過引入合適的親水基團含量而進行自分散。這種親水性基團包括非離子型親水基團(如聚氧烷烯基團：聚氧乙烯聚氧丙烯基)和離子型親水基團，離子型親水基團又包括陽離子型和陰離子型，但較好的是陰離子型。陽離子基團(例如季銨鹽基團或堿性基團)加酸中和，所用的酸有甲酸、乙酸、乳酸等。陰離子基團(例如酸性基團)加堿中和，所用的堿有胺或氨基醇等。
水性多組分涂料組成物中含有基料(如陽離子穩(wěn)定基料和陰離子穩(wěn)定基料)，溶解于水中或以水性分散體形式存在。適用的陽離子穩(wěn)定基料中每100g樹脂固體中含有8～450毫當量的陽離子基團或可轉變成陽離子基的基團。適用的陰離子穩(wěn)定基料中每100g樹脂固體含有5～400毫當量的陰離子基團或可轉變成陰離子基的基團，例如羧基，則酸值為5～200mgKOH/g。
水性多組分涂料組成物中，除了基料含有活性基團外，還可含有交聯劑，也可含有活性基團，它與基料中的活性基團反應。這種基料與交聯劑組分的混合物體系包括環(huán)氧官能組分與含有伯或促胺基的組分的混合物；環(huán)氧官能組分及含羧基組分的混合物；含羥基組分與含多異氰酸酯組分的混合物等。較好的是水性雙組分聚氨酯涂料組成物，它是以羥基官能基料組分為主，與多異氰酸酯交聯組分混合制備，較好地采用非水性多異氰酸酯固化劑。
當然，定義哪個為基料組分，哪個為交聯劑，純粹是概念問題，通常用量較高的組分為基料，用量少的為交聯劑。
適用的交聯組分優(yōu)選憎水性組分，但可以選用任何常用的交聯劑。含有游離異氰酸酯基的交聯組分可以產生親水性，如通過在多異氰酸酯分子中引入離子基或聚氧乙烯基鏈段。但多異氰酸酯交聯劑，常用于某些特殊的用途，如用于汽車OEM涂料時，水性雙組分聚氨酯涂料組成物中使用憎水性多異氰酸酯交聯劑為固化劑更有優(yōu)勢。
水性雙組分聚氨酯涂料組成物的基料以固體計，羥值范圍10～300mgKOH/g，較好的為20～250mgKOH/g，更好的是50～200mgKOH/g。水性雙組分涂料組成物中含有的游離多異氰酸酯量一般使游離異氰酸酯基與基料中的羥基數量之比為0.5:1～5:1，較好的為0.8:1～2.0:1。基料樹脂沒有特別要求，但較好的數均相對分子質量(Mn)范圍為500～500000。
適用的基料例如(甲基)丙烯酸共聚物、聚酯樹脂、聚氨酯改性聚酯、聚氨酯、聚脲或聚氨酯脲。可以使用一種基料或混合基料，也可以使用上述基料衍生得到的雜合樹脂基料，即聚合物雜合體，其中兩種或兩種以上基料以共價鍵或樹脂分子互穿共混而混合在一起。
適用的憎水性游離多異氰酸酯可以是任何有機二(或多)異氰酸酯，其中連接于異氰酸酯基上的可以是脂肪族、脂環(huán)族、芳香脂肪族和/或芳香族基團。在室溫下是液態(tài)的或通過加入有機溶劑，以溶液形式存在，通常在23℃時黏度范圍為0.5～2000mPa/s。較好的是低于200mPa/s。較好的多異氰酸酯有烷基三異氰酸酯及二異氰酸酯，如六亞甲基二異氰酸酯、四亞甲基二異氰酸酯、異佛爾酮二氰酸酯、二環(huán)己基甲烷二異氰酸酯、環(huán)己烷二異氰酸酯及它們的混合物。憎水的游離多異氰酸酯可以包括在與異氰酸酯基相連的基團中含有雜原子的類型，如含有碳化二亞胺基團、脲基甲酸酯基、異氰脲酸酯基、氨酯基或縮二脲基團的多異氰酸酯。較好的多異氰酸酯含有異氰酸酯基官能度大于2，如由上述二異氰酸酯二或三聚反應得到的縮二異氰酸酯與水反應的產物，或與多元醇反應得到的含氨酯基的多異氰酸酯。常用的有六亞甲基二異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯特別是六亞甲基二異氰酸酯衍生得到的多異氰酸酯非常適用。“常用的由上述二異氰酸酯衍生得到的多異氰酸酯”是指含縮二脲、聚氯酯預聚物或異氰脲酸酯基的二異氰酸酯衍生物。
憎水的游離多異氰酸酯可以在水性涂料組成物制備過程中加入。如果憎水性游離多異氰酸酯以有機溶劑或溶劑混合物預稀釋較好。
除了水、基料和交聯劑，水性多組分涂料組成物中還可以含有活性稀釋劑、樹脂漿、有機溶劑、顏料和特殊效應顏料、填料或傳統(tǒng)的涂料用助劑。
適用的有機溶劑包括非水溶性或部分完全水溶性有機溶劑，用量基于施工前完全混合好的涂料組成物量的0～20%。較好的溶劑有一元醇或多元醇(如丙醇、丁醇、己醇)；二醇醚或酯(如二乙二醇二烷基醚、烷基碳原子數為C1～C6的二丙二醇二烷基醚、乙氧基丙醇、丁二醇)；二元醇(如丙二醇及其低聚物)；二醇醚酯(如乙二醇乙醚醋酸酯、乙二醇丁醚醋酸酯、3-甲氧基正丁基醋酸酯、二乙二醇丁醚醋酸酯、甲氧基丙基醋酸酯)；N-甲基吡咯烷酮及酮類(如甲乙酮、丙酮、環(huán)己酮)；酯類(如醋酸丁酯、醋酸異正丁酯、醋酸戊酯)；芳香族或脂肪族烴類(如甲苯、二甲苯或線性或支鏈的C6～C12的脂肪族烴)。
適用的顏料和特殊效應顏料以及填料有炭黑、鈦白、氧化鐵顏料、偶氮顏料、a?系顏料、酞菁顏料、鋁顏料、云母顏料、滑石粉及高嶺土等。顏料最好先與水性基料組分混合后再加入水性多組分涂料組成物中。
傳統(tǒng)的涂料用助劑用量不超過5%。適用的助劑包括透明顏料、中和劑、流平劑、染料、光穩(wěn)定劑、抗氧劑、流變控制劑、防沉劑、消泡劑、附著力促進劑、催化劑、胺鹽閉有機磺酸及它們的混合物。
助劑加入到水性多組分涂料中可以通過加入各種組分中，最好是加入水性基料組分中。如果水性多組分涂料組成物用作水性底色漆以制備本色或特殊效應涂層，較好的固含量為15%～40%，顏料與固體樹脂的比例較好的0.06:1～2:1，均基于固體質量。用作水性清漆時，固含量一般為40%～60%。
各組分在施工前混合。預混合可以采用連續(xù)法或非連續(xù)法，但如果是在工業(yè)規(guī)模的生產線上，最好是采用連續(xù)法。預混合可以采用常用的方法，如常用的多組分混合裝置，特別是雙組分混合裝置，常用的有靜態(tài)混合機，例如典型的用于汽車生產流水線的Kenics混合機，預混合后，得到的水性多組分涂料組成物通常為水性多組分涂料組成物通常為水性分散體，在水連續(xù)相中基料或固化劑形成一種或一種以上的分散相。
根據此方法，通過水性多組分涂料制備過程中混合技術的利用，可以由水性多組分涂料組成物得到外觀及性能高質量的涂層，而且這一方法中只需使用常用的簡單水性多組分涂料組成物。
以下將舉實例詳細說明：
實例中的結果是采用目視方法觀察涂層表面，涂層表面的質量評價是基于其鮮映性好壞，對實例與比較涂層間鮮映性的差異進行比較。
例1
使用Kenics混合機制備水性雙組分聚氨酯清漆，其中水性基料與非水性多異氰酸酯固化劑體積比100:45(Herberts Aqua Clear 2K，基料R40821及固化劑R40906，均由DuPont Performance Coatings GmbH &Co KG，Wuppertal提供)。預混合好的水性雙組分聚氨酯清漆從Kenics混合機中出來后直接進入高速旋轉霧化器(霧化器：N16010033ECO旋杯，DURR公司產品)，施工過程中，旋杯邊緣直徑5.5cm，轉速45000rpm(相應的線速度7772m/min)，使清漆施工于已涂裝并閃干的銀灰色水性金屬底色漆表面，干膜厚度10～60μm，在40℃閃干10min后在140℃下烘烤20min固化。
得到的涂層的清漆層膜層范圍30～40μm，清漆膜外觀不滿意，流平差。
例2
制備與例1相同的水性雙組分聚氨酯清漆，但采用不同的高速旋轉霧化器，即DURR公司的ECO-M-旋杯。在這一比較例中，旋杯邊緣直徑6.5cm，施工時的轉速45000rpm(線速度9185m/min)，結果：清漆外觀不滿意，流平比例1略好。
例3(采用本發(fā)明工藝)
制備與比較例2相同的水性雙組分聚氨酯清漆、采用相同的高速旋轉霧化器，但高速旋轉霧化器的轉速為70000rpm，以取代例2的轉45000rpm，這樣旋杯邊緣線速度為14287m/min，結果：清漆外觀滿意，流平性好，光澤高。
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