水性可剥涂料的研制及性能研究

杨瑞*，原玲，刘虎，辛龑，曹文健（北京航空材料研究院，航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）



水性可剥涂料的研制及性能研究

杨瑞*，原玲，刘虎，辛龑，曹文健
（北京航空材料研究院，航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）

作者联系方式：(E-mail) yrui918@126.com。

摘要：以丙烯酸乳液作为成膜物质，加入合适的颜料和助剂，制备了一种水性可剥涂料。研究了乳液配比、颜料和剥离剂用量对漆膜性能的影响。结果表明：当柔性丙烯酸乳液和硬质丙烯酸乳液配比为2∶1、颜基比为0.6、剥离剂用量为1.0%时，所制涂膜综合性能较好。其剥离强度适中，在耐水、耐高低温、耐紫外老化、耐候性等方面表现出色，完全满足户外全天候的使用要求。

关键词：水性可剥涂料；丙烯酸乳液；颜料；剥离剂；耐候性

First-author’s address: Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China

可剥涂料是一种涂覆在基材表面用于隔绝侵蚀介质，避免其在储存和运输过程中受到刮擦、划伤、酸雨侵蚀、日光老化、污染等的材料。它可为各种表面提供保护[1-4]，包括漆面(如飞机、汽车、家电及各种仪器)、塑料、橡胶、金属、玻璃等，且使用完可方便地从被保护表面剥离。要能在全天候条件下使用，可剥涂层必须满足如下技术要求[5]：(1)长时间雨淋不溶胀，不起泡；(2)光照老化后仍保持可剥离性；(3)夏天长时间户外暴晒后，与漆膜不粘结、不变色；(4)冬季长时间冷冻不开裂；(5)气候反复变化时保持可剥离性能。最初的可剥涂料为溶剂型，近年来随着国家环保要求提高，其逐渐转向水性环保型[6-7]。

本文将2种丙烯酸乳液复配作为成膜树脂，再加入合适的颜料和助剂，制备了一种水性可剥涂料，然后全面测试了其耐水性、耐光照老化性、耐高低温性和耐候性。

1 实验

1. 1 原料与仪器

柔性丙烯酸乳液A、硬质丙烯酸乳液B、流平剂RM-2020PN，罗门哈斯；钛白粉R-930(金红石型)，日本石原；消泡剂、润湿分散剂，BYK；增稠剂UH-420，日本ADEKA；防霉剂，北京桑普生物化学技术有限公司；剥离剂，自制[8]。

CMT-4104电子万能拉力试验机，美国MTS公司；QUV紫外光加速老化试验机，美国Q-Lab公司；分散机，江阴市双丰化工机械有限公司；砂磨机，合肥华派机电有限公司。

1. 2 涂料的制备

在容器中依次加入水、润湿分散剂、流平剂、增稠剂和防霉剂，搅拌均匀；然后加入钛白粉，搅拌均匀后通过砂磨机研磨至细度小于50 μm，得到颜料浆；调节分散机转速为300 ～ 500 r/min，在颜料浆中依次加入丙烯酸乳液A、B，剥离剂和消泡剂，搅拌10 ～ 20 min即可。

1. 3 漆膜的制备

取100 mm × 100 mm × (2 ～ 3) mm表面干净的汽车车身漆面板，用水冲洗干净，吹干备用。按GB/T 1727－1992《漆膜一般制备法》以喷涂的方式制备漆膜，膜厚控制在150 ～ 200 μm。

1. 4 性能测试

涂料的各项性能检测方法及技术指标见表1。

表1 水性可剥涂料的性能检测方法及技术指标Table 1 Performance test methods and technical indexes for water-based strippable paint

2 结果与讨论

2. 1 涂料的研制

2. 1. 1 成膜树脂的选择与配比

目前，制备水性可剥涂料的成膜树脂有丙烯酸、聚氨酯、聚乙烯醇、有机硅树脂等[9]，以丙烯酸乳液为成膜树脂的可剥涂料在性价比方面表现出色。柔性丙烯酸乳液A是一种高性能弹性乳液，在常温或低温环境下具有优异的断裂伸长率，能保证漆膜具有优异的柔韧性和回复性，附着力较高，但硬度较低。硬质丙烯酸乳液B是一种高性能刚性乳液，玻璃化温度较高，可为漆膜提供良好的强度和硬度，但附着力低，剥离方便。本文将二者按比例复配后优势互补，可得到硬度和附着力兼具的涂膜。

对2种乳液按不同配比制备的漆膜进行剥离试验，并使用拉力机测试剥下漆膜的性能，结果见表2。

表2 乳液配比对漆膜机械性能的影响Table 2 Effect of mass ratio of emulsions on mechanical properties of the film

从表2可见，当柔性树脂A的比例较高时，涂膜的附着力偏大，剥离时涂膜容易拉伸，不易剥离；当硬树脂B的比例较高时，乳液的刚性增加，涂膜的硬度过大，柔韧性过低，剥离时涂膜容易断裂成碎片。可见无论是硬树脂还是软树脂，用量过多都无法得到理想的可剥涂膜。只有将软硬树脂按合适比例复配后，才可得到硬度和附着力适中的涂膜。当m(A)∶m(B) = 2∶1或1∶1时，涂膜的剥离强度适中，能够从漆面板上完整剥离，拉伸强度和断裂伸长率也都较大。考虑到后续添加剥离剂会进一步降低涂膜剥离强度，选择柔性树脂A与硬树脂B的质量比为2∶1。

2. 1. 2 颜料的用量

颜料在涂料中的作用不仅仅是色彩和装饰性，合适的颜料还可以改善涂膜的物理化学性能，如提高其机械强度、耐光性、耐候性等。可剥涂料的应用广泛，被保护基材可能会长期存放于户外，因此选择颜料不仅要考虑其装饰性，而且要考虑其耐候性。钛白粉是最重要的白色颜料，特别是金红石型钛白粉，结构致密，在耐候性和抗粉化方面表现优异。选择金红石型钛白粉作为颜料，调节颜基比在0.2 ～ 1.0之间，考察了颜料用量对漆膜性能的影响，结果见表3。

表3 颜基比对漆膜机械性能的影响Table 3 Effect of the pigment-to-binder ratio on mechanical properties of the film

从表3可知，随着颜基比增大，漆膜的拉伸强度逐渐升高，说明颜料对漆膜有补强作用；同时断裂伸长率逐渐降低，颜基比为0.8时，断裂伸长率已比较低；随着颜料用量增加，漆膜的剥离强度先增加后逐渐减小。因为加入颜料减少了漆膜在干燥过程中的收缩程度，从而提高了漆膜的附着力，所以最开始剥离强度增大。而当颜料在体系中超过一定量后，漆膜与基材接触的一部分树脂被颜料所取代，降低了漆膜对基材的附着力，因此后来剥离强度又降低。颜基比为0.8和1.0时，虽然拉伸强度高、剥离强度低，但由于颜料较多，漆膜的断裂伸长率较低，在剥离时容易发生破损。综合考虑各性能指标，选取颜基比为0.6。

2. 1. 3 剥离剂的选择与用量

漆膜要能够轻松完整地剥离，不仅要有较高的强度，而且与基材的附着力要适中，既能黏附在基材上，不会轻易脱落，又可在需要剥离时成片完整地剥离。上述颜基比为0.6的配方所得漆膜的剥离强度仍偏高，因此考虑添加剥离剂进一步降低漆膜与基材的附着力。常用的剥离剂有高级脂肪酸酯、脂肪酸盐、蜡以及表面活性剂等，表面活性剂能明显地降低漆膜与基材的附着力，但一般会带来漆膜耐水性显著下降的问题。添加蜡粉或蜡乳液也能够改善漆膜的可剥性，但容易导致漆膜变脆或蜡粉在基材表面残留。本文选用一种脂肪酸的铵盐作为剥离剂，它的水溶性好，添加方便，且成膜后会在空气中缓慢分解，不会造成干膜的耐水性下降。剥离剂用量对漆膜180°剥离强度的影响如表4所示。

表4 剥离剂用量对漆膜机械性能的影响Table 4 Effect of the dosage of stripper on mechanical properties of the film

由表4可知，随着剥离剂用量增加，漆膜的剥离强度逐渐降低；同时其拉伸强度也逐渐降低，断裂伸长率升高，说明加入剥离剂对漆膜的强度有一定的减弱。综合考虑，选取剥离剂的用量为1.0%。

2. 2 涂膜性能测试

将质量分数60.0%的丙烯酸复配乳液[m(A)∶m(B) = 2∶1]、钛白粉(颜基比0.6)、1.0%剥离剂、0.1%消泡剂、1.0%增稠剂、1.5%润湿分散剂、0.1%防霉剂和0.3%流平剂混合均匀，制得水性可剥离涂料，并测试了其综合性能。

2. 2. 1 耐水性

将试片浸泡在(23 ± 2) °C的水槽中考察漆膜的耐水性，结果如表5及图1所示。由图1可见，浸泡15 d后，漆膜仍然保持完好；30 d后，漆膜部分区域有鼓泡，但未从基材表面脱落，且拿出水槽干燥后仍具有可剥性。

2. 2. 2 耐高低温性

将试片放置在70 °C烘箱及−30 °C低温试验箱中，考察漆膜的耐高低温性能，结果如表6所示。

表5 漆膜浸水不同时间后的机械性能Table 5 Mechanical properties of the film immersed in water for different time

图1 漆膜浸水不同时间后的形貌照片Figure 1 Photos showing the appearance of the film after immersing in water for different time

表6 漆膜在70 °C和−30 °C下放置不同时间后的机械性能Table 6 Mechanical properties of the film placed at 70 °C and −30°C for different time

从表6可见，在70 °C烘箱中放置0.5 h后，漆膜就具有很好的可剥性，加热6 h后，漆膜已具有很好的拉伸强度。随加热时间延长，拉伸强度的变化不大。整体来看，随着加热时间延长，漆膜的剥离强度略有增加，但即使在70 °C烘箱中放置60 d后，漆膜仍然保持良好的可剥性。而漆膜在−30 °C放置30 d后，断裂伸长率有所降低，拉伸强度及剥离强度变化不大，可剥性仍很好。

2. 2. 3 耐候性

依据GB/T 23987－2009《色漆和清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外线和水》设置参数，采用UVA-340灯管，按方法A将试片曝露在紫外老化箱中；另准备试片，放置在户外环境中，考察漆膜的耐候性，结果如表7及图2所示。从图2可见，放置一年后，漆膜仍保持完好(户外12个月所示的漆膜两侧破损是由于固定夹具所致，其他地方并无破损)。从表7可知，无论是紫外加速老化30 d，还是户外达一年的长期放置，漆膜的拉伸强度、断裂伸长率、剥离强度等指标变化并不大，仍保持良好的可剥性。

表7 漆膜在紫外老化箱和户外放置不同时间后的机械性能Table 7 Mechanical properties of the film placed in UV aging test chamber and outdoor for different time

图2 漆膜在户外放置不同时间后的外观照片Figure 2 Photos showing the appearance of the film placed outdoor for different time

3 结论

选择柔性丙烯酸乳液与硬质丙烯酸乳液复配作为成膜树脂，金红石型钛白粉作为颜料，脂肪酸的铵盐作为剥离剂，制备了水性可剥涂料。当柔性乳液与硬质乳液的质量比为2∶1，颜基比为0.6，剥离剂为1.0%时，漆膜的性能指标能达到要求，具有很好的综合性能，特别适用于基材的长期防护。

参考文献：

[1] 余汉斌. 一种汽车面漆保护方法[J]. 材料保护, 2004, 37 (5): 63-64.

[2] 张强国, 朱婧, 刘娅莉, 等. 用苯－丙乳液制成的水性可剥涂料[J]. 电镀与涂饰, 2007, 26 (12): 48-50.

[3] 胡乃昌, 苏桂明. 可喷涂金属幕墙用可剥性涂料[J]. 涂料工业, 2005, 35 (6): 57-58.

[4] 刘宏宇, 张松. 水性可剥离涂料的制备和性能[J]. 中国表面工程, 2012, 25 (1): 89-92.

[5] 北京航材百慕新材料技术工程股份有限公司. 水性透明可剥离防护涂料: 200910259433.8 [P]. 2010－07－07.

[6] 钟燕妮, 薛超霞, 程江, 等. 环保型水性可剥离防护涂料的研制[J]. 电镀与涂饰, 2013, 32 (12): 59-63.

[7] 卢勇宏, 朱子金, 张晓鸿, 等. 环保化可剥离涂料的研究进展[J]. 广东化工, 2012, 39 (4): 15-16.

[8] 张振宇. 脂肪酸酯季铵盐表面活性剂的合成与性能研究[D]. 大庆: 东北石油大学, 2011.

[9] 陈拯, 陈良印. 替代汽车面漆防护蜡的可剥离水性保护膜应用研究[J]. 涂料技术与文摘, 2013, 34 (4): 37-39.

[ 编辑：杜娟娟 ]

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Preparation and properties of water-based strippable coating

YANG Rui*, YUAN Ling, LIU Hu, XIN Yan, CAO Wen-jian

Abstract:A water-based strippable protective coating was prepared using acrylic emulsions as binder with a suitable amount of pigment and additives. The effects of the proportions of emulsions as well as the dosages of pigment and stripper on the performance of the cured film were studied. The results indicated that the coating prepared based on 2:1 soft acrylic emulsion and hard acrylic emulsion with 1.0% stripper at a pigment-to-binder ratio of 0.6 has a good comprehensive performance, as shown by a suitable peeling strength and good resistance to water, high and low temperatures, ultraviolet aging and weather, meeting the requirement of all-weather use.

Keywords:water-based strippable coating; acrylic emulsion; pigment; stripper; weather resistance

中图分类号：TQ630.7

文献标志码：A

文章编号：1004 － 227X (2016) 02 － 0053 － 05

作者简介：杨瑞（1985–），男，湖北仙桃人，工程师，研究方向为涂料、涂层及防腐。

收稿日期：2015－09－12 修回日期：2015－09－19