水传播的金属涂层面对具有挑战性的性能要求,但随着水基技术的改进,它们正在取代越来越多的溶剂型涂料系统。金属涂层市场中一个不断增长的细分领域是直接对金属(DTM)涂层,其目标是满足多涂层系统相同的性能标准,同时减少单涂层的应用时间、复杂性和成本。所有水传播的金属涂层需要以最有效的方式使用最高性能的原材料来实现其性能目标。188金宝搏bet官网在DTM涂料的情况下,诸如耐腐蚀和户外耐久性等性能是非常重要的,但也必须与高光泽和不透明度的审美要求相平衡。在这里,我们演示了如何使用氨基醇作为颜料的高效分散剂来最大化水性丙烯酸金属涂料的性能。

安格斯氨基醇的独特性能为水性配方提供了许多好处,包括有效的pH控制和增强配方稳定性。1本研究中研究的氨基醇,2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP),分子量相对较低,pKa较高,是一种高效的pH控制添加剂(表1)。AMP也是美国环保局、加拿大和韩国政府豁免VOC的添加剂,因此可以用于生产满足低和零VOC法规的水性工业涂料。2然而,这些材料与水性涂料成分之间的关键化学相互作用之一是它们与颜料表面的强烈相互作用,这使它们成为高效和有效的颜料分散剂。188金宝搏bet官网AMP的氨基官能团能与颜料表面的负电荷发生强烈的相互作用,如二氧化钛、粘土和滑石等颜料表面的增稠剂和有色颜料。3.

2-氨基-2-甲基-1-丙醇的物理性质。
表1”2-氨基-2-甲基-1-丙醇的物理性质。

在这篇文章中,我们演示了AMP的分散性可以用来改善水性丙烯酸DTM涂料的许多性能属性,包括粘度稳定性,不透明度,光泽,耐候性和腐蚀阻力。从三种不同丙烯酸树脂制备的水性金属涂层的结果来看,这些性能改进在不同的配方中表现得非常稳健树脂.总的来说,这些结果说明了氨基醇分散剂提高水性工业涂料性能的制定策略的普遍性。

实验设计

在接下来的实验中,评估了两个主要变量:(1)AMP作为分散剂的使用水平和(2)树脂化学。AMP的三种使用水平被评估,每种使用三种不同的树脂体系,共九种涂料。氨基醇是高效的分散剂,可部分取代初级聚合分散剂,氨基醇含量越高,初级分散剂水平降低越高。聚合物分散剂对金属涂层的光泽度、不透明度和耐腐蚀性有显著影响,氨基醇分散剂也会有显著影响。对以下三种分散剂进行了评估,具体研磨配方如表2所示。

  • 对照配方使用供应商推荐用量的一级分散剂(色素固体上1.5%活性一级分散剂),不含AMP。
  • 配方总重量中含有0.1%的AMP,以取代30%的初级分散剂(活性初级分散剂对颜料固体的作用为1.0%,对颜料固体的作用为~ 0.5%)。
  • 在配方总重量中含有0.15% AMP的配方,以取代50%的初级分散剂(活性初级分散剂对颜料固体的作用为0.75%,对颜料固体的作用为~ 0.75% AMP)。
研磨含有0.00%、0.10%和0.15% AMP的配方,分别替代0%、30%和50%的初级分散剂。
表2”研磨含有0.00%、0.10%和0.15% AMP的配方,分别替代0%、30%和50%的初级分散剂。

对于第二个实验变量,从三个不同的供应商中选择了三种设计用于水性金属涂层的丙烯酸树脂,称为树脂A、树脂B和树脂c。这些树脂的描述和物理性能见表3。这三种树脂都是基于苯乙烯-丙烯酸化学,但树脂A可以与颜料表面相互作用,可以改善颜料颗粒在膜中的分布。树脂B和C是非颜料相互作用,但设计分别为150 g/L和50 g/L VOC配方。

丙烯酸树脂化学性质的描述和物理性质。
表3”丙烯酸树脂化学性质的描述和物理性质。

在水性半光泽DTM配方中,以17.5%的PVC和36%的固体体积为基础,对三种不同的树脂进行了固体含量相等的评价。每种配方中都使用了相同的慢蒸发聚结剂,尽管聚结剂水平是根据每种树脂的目标VOC水平进行调整的。针对每个树脂体系调整流变改性剂的水平,以达到相似的粘度分布。除此之外,这些配方没有进一步优化。让人失望的成分如表4所示。值得注意的是,尽管AMP经常被用作pH控制添加剂,但本研究中所研究的所有配方在降温过程中都被氨中和至目标pH。因此,涂层性能的差异是由于在这些配方中使用AMP作为分散剂所致。

三种树脂的减震配方。
表4»三种树脂的减震配方。

结果与讨论

颜料的粘度在室温下储存,并经过一段时间的监测,包括在制作颜料的当天进行初步测量,然后在一整晚、一周后和四周后进行后续测量。ΔKU值与初始厂外测量值的对比如图1所示。

经过一夜、一周和四周的平衡时间后粘度稳定。
图1”经过一夜、一周和四周的平衡时间后粘度稳定。

随着时间的推移,树脂A的粘度上升最为显著,而树脂B和树脂c的粘度则要小得多。树脂A的粘度大幅上升可能是由于树脂和二氧化钛颜料之间潜在的持续相互作用。一般来说,用AMP配制的涂料随着时间的推移表现出更稳定的粘度,其中含有树脂A和树脂C的涂料在AMP的最高使用水平下表现出最佳的粘度稳定性。

在Leneta不透明度图表上测量每种涂料的对比度和光泽度值。无论哪种树脂体系,AMP在提高掩藏度和光泽度方面都表现出明显的优势,在研磨中添加0.15% AMP的样品中,两者的测量值都最高。树脂A具有最高的初始对比度(图2)和光泽度(图3),这是树脂-颜料相互作用的预期结果,而AMP的使用进一步改善了这些性能性能。在非活性树脂体系中,对掩藏性和光泽度的改善更为显著,使用最高水平的AMP对树脂B和树脂c的改善最大,在钢或铝基材上的光泽度值也显示出与本文报告的Leneta不透明度图表结果相同的趋势,更高水平的AMP产生更高的光泽度值,尽管该数据没有显示出来。

在不透明度图表上测量的对比度。
图2”在不透明度图表上测量的对比度。
不透明度图表的光泽。
图3»不透明度图表的光泽。

König硬度值在四周的时间内被测量(图4)。含有树脂B的配方比其他配方具有更高的硬度值,这是基于其更高的最小成膜温度和更高的聚结需求。硬度随时间的波动可归因于实验室环境温度和湿度的变化。树脂对硬度值的影响比AMP大得多,但通常,含有AMP的配方被发现有类似或非常低König硬度值比那些不含AMP的配方。

König硬度值超过四周。
图4»König硬度值超过四周。

在加速风化条件下测量了六周的光泽保持。从数据中可以明显看出,不同树脂体系之间的性能差异很大,树脂A在六周内保持了高得多的光泽度值(图5)。含有AMP的样品的初始光泽度高于不含AMP的样品。对于树脂A和树脂B,在整个实验过程中都保持了较高的初始光泽度,尽管树脂A比树脂B能更好地保持其初始光泽度值。在实验过程中,添加AMP和不添加AMP的样品之间的光泽度差异增大,AMP使该配方的光泽度保持得更好。虽然这些配方可能不能完全优化光泽保持,但观察到的总体趋势是AMP既可以增加配方的初始光泽,也有助于在加速风化测试中更好地保持某些体系的光泽。

加速风化试验时的光泽保持。
图5»加速风化试验时的光泽保持。

通过将湿膜干燥2小时,然后浸入自来水24小时,还测量了这些涂层的早期耐水性。早期耐水性值,报告为吸水性占干膜重量的百分比,被发现高度依赖于配方(图6)。树脂B的早期耐水性表现最低,但这可以从配方中比其他配方中高得多的慢蒸发聚结剂水平中得到预期。然而,使用AMP可以显著降低吸水性,就像基于树脂B和树脂c的配方所看到的那样。这种早期抗水性的改善可能是颜料在膜中更好的分布的结果,也可能部分是由AMP使初级分散剂水平降低所驱动的。聚合物分散剂的羧酸功能可以使它们具有高度的水敏感性。众所周知,降低涂料配方中对水敏感的材料的含量可以改善某些性能,包括早期的耐水性。188金宝搏bet官网

2小时早期水阻力水更新值。
图6»2小时早期水阻力水更新值。

通过ASTM B117测试方法对涂层的耐蚀性进行了评估。将大约两密尔的干膜厚度应用于清洗过的冷轧钢板,并将其暴露在盐雾中1周(图7)。树脂的化学成分对耐蚀性结果有一定的影响,但AMP的使用也有影响。差异相对较小,但在树脂a和树脂C配方中,AMP的使用水平越高,耐蚀性越好。总的来说,AMP对耐蚀性的改善主要体现在水泡数量的减少,以及在某些情况下观察到的锈斑数量的减少。

盐雾暴露一周后的耐蚀性试验。
图7»盐雾暴露一周后的耐蚀性试验。

结论

水性工业涂料面临的许多性能挑战都与屏障和光学性能有关,这两者都非常依赖于实现优化的颜料分散。氨基醇(如AMP)是通过与颜料表面的强相互作用实现高质量颜料分散的强大配方工具。用AMP优化的颜料分散的潜在好处是双重的。AMP可以帮助颜料更好地通过干膜分散,直接提高涂层的光学性能和阻隔性能,如图8所示。此外,AMP的高分散效率允许显著降低初级分散剂的水平(30-50%),这可以进一步改善薄膜的水敏性,如上图所示,改善早期耐水性。

描述氨基醇分散剂可能实现的性能改进的方案。
图8»描述氨基醇分散剂可能实现的性能改进的方案。

在水性金属涂料的研磨中使用AMP作为分散剂可以改善一系列性能,包括增强涂料的稳定性、不透明度、光泽度、耐候性、早期耐水性和耐腐蚀性。重要的是,研究还表明,这些改进在不同的树脂化学成分和配方中都是稳健的。虽然每种树脂在性能上表现出不同的整体平衡,但AMP在提高涂料稳定性、不透明度和光泽等性能方面的能力在所有配方中是相当一致的。

在颜料研磨中使用配方总重量的0.10-0.15%的AMP可以去除30-50%的初级分散剂。尽管本文中没有演示,但由于氨基醇的润湿和防腐性能,AMP可实现其他可能的配方优化,包括表面活性剂水平降低25%和闪锈抑制剂水平降低25%-50%。综上所述,这些配方优化有助于减少配方中水敏材料的总量,从而进一步提高涂层性能。氨基醇,如AMP是有效的多功能配方工具,可以帮助配方商设计和优化水性工业维护涂料,以满足当今苛刻的性能期望。

实验方法

涂料制备和测试遵循标准实验室实践。涂料的粘度稳定性在室温下监测了四周。在Leneta不透明度图表上报告了3毫升湿膜厚度下降的对比度和光泽值。König硬度测量遵循ASTM D4366-16对铝板上的3毫米湿膜厚度下降。QUV加速风化过程中的光泽保持符合ASTM D4587-11。铝板上的6- mml湿膜厚度下降干燥7天,然后暴露在8小时的紫外线下,然后暴露4小时的冷凝,每周监测光泽的变化。根据ASTM B117对冷轧钢板上2 mil干膜厚度样品的耐蚀性进行了测量。通过在铝板上施加3mll的湿膜厚度来测量早期的水阻力。面板在环境条件下干燥2小时,然后完全浸入自来水中24小时。吸水率是指吸水占干涂料总重量的百分比。 The author can be contacted atmlangille@angus.com更多的实验细节或支持性数据已提及但未在此发表。

参考文献

1Severac r;描绘更稳定的图景。欧洲涂料杂志》2018, 2018, 18-21。

2Troester l;毛重,p;Peera, A.《去除挥发性有机化合物之旅》。油漆和涂料工业188BET竞彩.1月。2015

3.Severac r;多用途氨基醇改善颜料分散和涂料稳定性。涂料世界.9月。2019, 132 - 135。