水性仿金属塑料漆的研制

李卓麟，梁亮，*，江建东，陈龙

（1.广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 510006；2.广东德丽雅漆业有限公司，广东 韶关 510507）

水性仿金属塑料漆的研制

李卓麟1，梁亮1，*，江建东2，陈龙2

（1.广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 510006；2.广东德丽雅漆业有限公司，广东 韶关 510507）

以水性乳液为成膜物，铝粉、铜金粉为效应颜料，制备了用于塑料表面涂装的水性仿金属漆。考察了树脂、效应颜料、防沉剂的种类及用量对涂料综合性能的影响。结果表明，采用自制单组分自交联丙烯酸乳液B为成膜基料，效应颜料分别采用铝粉浆XH330和铜金粉K且用量均为8%，水性蜡乳液F为防沉剂时，所得银粉漆和金粉漆具有较好的贮存稳定性，其漆膜附着力达到0级，铅笔硬度达到3H，显示了良好的仿金属外观效果。

仿金属漆；水性塑料涂料；丙烯酸乳液；铝粉；铜金粉；贮存稳定性

First-author’s address: School of Chemistry and Chemical Technology， Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006， China

随着生活水平不断提高，人们越来越青睐于具有豪华金属质感的装饰。仿金属塑料漆的出现缓解了人们对金属质感的追求与金属资源紧张这一矛盾。此类涂料可赋予塑料金属般的外观和质感，既用质轻廉价的塑料制品替代了金属材质，又满足了人们对华贵的金属效果的追求，深受大众喜爱［1］。目前市面上塑料涂料以溶剂型为主，对环境污染严重，能耗大［2］，因此环境友好型水性塑料涂料的开发和应用势在必行。据报道，全球每年水性塑料涂料的需求量以大于10%的速度递增，美国塑料用水性涂料增长达到17%［3］。

研制水性仿金属塑料漆不仅要克服水性塑料涂料干燥速率慢、硬度低、抗刮伤性不佳、对塑料表面的附着力差等问题，而且水性涂料大多为弱碱性，容易腐蚀金属效应颜料，如以铜、锌为主要原料的铜金粉易失去光泽、贮存不稳定，铝粉浆反应生成氢气使得涂料在贮存过程中出现胀桶等［4］。另外金属颜料密度大，易沉降，会影响金属漆的稳定性。而金属粒子在湿膜中能否规整排列也会影响漆膜的仿金属效果。目前水性仿金属塑料漆的研究还处于起步阶段，鲜有研究成果公开报道。但随着塑料制品大规模代替金属材质，对其表面进行金属化涂装成为涂料工作者关注的重点［5］。本文在已开发的高性能自交联水性树脂的基础上研制了一种可应用在PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PVC（聚氯乙烯）等塑料上的水性仿金属漆，并深入讨论了制备过程中的一些基本问题，为使塑料在一定程度上代替金属和降低VOC（挥发性有机化合物）排放进行了有益的探索。

1 实验

1.1 主要原料与仪器

水性铝粉浆6730、铜金粉U35，工业级，海湾化工；水性铝粉浆XH330，工业级，海信达铝颜料；含羟基聚丙烯酸乳液A2470、水性聚异氰酸酯固化剂XP2655，工业级，Bayer公司；单组分水性丙烯酸树脂1637，工业级，九维商贸有限公司；润湿分散剂Dispers655W、水性流变控制剂F，工业级，毕克；消泡剂FoamStarA34、流平剂Levelling620，工业级，海川化工；水性蜡乳液F，工业级，迪森；气相二氧化硅，工业级，德固赛；单组分自交联丙烯酸乳液B［6］、铜金粉K［7］、去离子水，自制；PET塑料板L701，凯本塑料薄膜有限公司。

SDF400实验分散砂磨机，常州市腾蛟机械厂；JB300-I型强力电动搅拌机，上海标本模型厂；MG268-F2光泽度计，泉州科仕佳光电仪器有限公司；ZAHN蔡恩杯4#黏度计，广州德满亿仪器有限公司；X-Rite-MA68 II型多角度分光光度仪，美国爱色丽公司。

1.2 涂料及其涂膜的制备

在带有搅拌装置的容器中按体系质量分数（后同）依次加入0.30%润湿分散剂、15.0%去离子水和6.0% ～ 12.0%效应颜料，在转速300 r/min下混合，搅拌20 min得到效应颜料浆。将75.0%丙烯酸酯乳液、0.2%消泡剂、0.2%流平剂、0.5%水性流变控制剂、1.5%防沉剂和补足余量的水混合，在转速1 000 r/min下搅拌20 min，分散均匀后在300 r/min搅拌下加入分散好的效应颜料浆，分散20 min即得水性仿金属塑料漆。

按GB/T 1727-1992《漆膜一般制备法》在干净的PET塑料板上进行喷涂制样，漆膜厚度控制在20 μm左右，（25 ± 5） °C下干燥7 d后备用。

1.3 性能检测

1.3.1 涂料性能

按照GB/T 1721-2008《清漆、清油及稀释剂外观和透明度测定法》目测样品的颜色、状态、均匀程度、透明度等物理性质。分别按GB/T 1725-2007《色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定》和GB/T 6753.3-1986《涂料贮存稳定性试验方法》测定样品的固含量和贮存稳定性。依据GB/T 1723-1993《涂料粘度测定法》用涂-4杯测定25 °C时样品的黏度。

1.3.2 涂膜性能

分别按照GB/T 6739-2006《色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度》、GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》、GB/T 1743-1979（1989）《漆膜光泽测定法》和GB/T 1728-1979（1989）《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》测试涂膜的铅笔硬度、附着力、光泽和干燥时间。按GB/T 1733-1993《漆膜耐水性测定法》测涂膜的耐水性。用松香和石蜡的混合物密封涂膜后的基材边缘以防浸水，然后放入水中浸泡，记录涂膜泛白、起皱的时间。采用多角度分光光度仪分别测量涂膜在15°、45°和110°的光泽，即L15、L45和L110，代入式（1）计算金属闪光指数FI。

2 结果与讨论

水性仿金属塑料漆要求漆膜在塑料表面附着力好，硬度和光泽较高，仿金属效果较好，因此选择可以满足其性能要求的树脂是一大难点。另外还需要考察配方中的主要原料以使金属颜料能稳定地定向排列于漆膜中，从而展示出优异的金属效果。本文讨论了乳液、效应颜料和助剂对水性仿金属塑料漆性能的影响。

2.1 乳液对水性仿金属塑料漆性能的影响

目前市场上可用于塑料制品的水性树脂主要有丙烯酸、环氧、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸复合树脂等，主要应用在ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PET、PVC等表面［8］。本文主要针对PET和PVC类，分别以市售双组分水性聚氨酯树脂A、单组分水性丙烯酸树脂1637和自制单组分自交联丙烯酸乳液B为成膜物，在铝粉浆XH330用量为8.0%，防沉剂为水性蜡乳液F，其他条件相同的情况下配制了仿金属漆，其基本性能测试结果见表1。

表1 不同乳液所制涂料及其涂膜的性能Table 1 Performance of the paints prepared with different emulsions and the coatings sprayed therewith

由表1可知，树脂A所制涂料的使用有效期较短，这是因为它由含有异氰酸酯基团的固化剂和含羟基的聚丙烯酸乳液混合而成，活泼的异氰酸酯与羟基迅速发生反应，不断生成成膜物质且交联度持续增大，最后导致漆液凝固，不能继续使用。树脂B是利用碱性条件时自交联单体中的乙酰乙酸基与氨基生成稳定的烯胺结构，成膜时随着pH下降反应逆向进行，重新生成乙酰乙酸基并发生自交联反应，因此其制备的涂料贮存有效期相对较长。

由树脂B制备的水性仿金属漆膜外观呈现金属银色，光泽度和金属闪光指数均高于树脂A和树脂1637所制漆膜。金属闪光指数越高表示铝粉粒子排列越规整，由此推断金属粒子在乳液B中定向排列效果更好，这是因为树脂B中带有螯合基团，该基团通过螯合作用吸附于金属粒子表面并将其包裹，所以能显著推动金属粒子在湿膜中规整排列。树脂B所制漆膜的硬度、附着力、耐水性等综合性能优异，使用有限期长，具有较佳的金属效果，因此选为本体系的成膜基料。

2.2 效应颜料种类及用量对水性仿金属塑料漆性能的影响

水性仿金属漆之所以具有特殊的金属效果，是因为在涂料中加入了效应颜料。在光线照射下效应颜料通过有规律的反射、透射或干涉，达到随角异色的效果［9］。水性仿金属漆用铝粉、铜金粉的选择非常严格，本文选择多种铝粉和铜金粉为效应颜料且用量均为8.0%，以水性蜡乳液F为防沉剂，其他条件一致，配制了几种水性仿金属塑料漆，其基本性能测试结果见表2。

表2 效应颜料种类对涂料性能的影响Table 2 Influence of the type of effect pigment on the performance of coating

从表2可知，在弱碱性的水性漆液体系中，铝粉浆6730由于被腐蚀而产生了氢气，造成贮存容器内部压力升高，出现胀桶现象，而且所制漆膜的光泽度也大大降低。铝粉浆XH330制备的涂料有较好的贮存稳定性且漆膜光泽较高。铜金粉U35由于被呈弱碱性的体系腐蚀，释出Cu2+而使漆液呈蓝色，并且导致漆膜光泽下降。铜金粉K经过有机-无机双重包覆处理［7， 10］，包覆层可以在腐蚀环境下有效保护铜金粉，所以可以稳定使用。综上，选定铝粉XH330和铜金粉K分别作为银粉漆和金粉漆的效应颜料。

效应颜料的用量必须恰当，既要能够遮盖底材，又不能互相堆积，这样才能有良好的仿金属效果。以铝粉浆XH330为效应颜料，水性蜡乳液F为防沉剂，进行了仅铝粉用量不同的对比试验，结果见表3。从表3可知，当效应颜料用量较少时，涂膜遮盖力不足，需要喷涂多道来保证其遮盖力，易造成浪费。当效应颜料用量过多时，漆膜发黑，铅笔硬度和附着力均有所下降。这是因为效应颜料用量过多，金属粒子容易相互团聚，影响了其定向排列，导致漆膜发黑，间接表现为光泽度下降。另外颜料过多，其表面不能达到饱和吸附，空余点会造成颜料絮凝，体系稳定性变差，附着力降低［11］。因此效应颜料用量以8.0%为宜。

表3 效应颜料用量对漆膜性能的影响Table 3 Influence of the content of effect pigment on the performance of coating

2.3 防沉剂对涂料性能的影响

由于效应颜料密度大，随着放置时间延长，混合在乳液及水中的颜料会渐渐沉降，聚积在底部，甚至发生团聚，更甚者会团结成大颗粒，使涂料变质，丧失原有性能。为防止效应颜料沉降，需加入防沉剂使其能够较长时间地均匀悬浮在涂料中。以8.0%铝粉浆XH330为效应颜料，采用2种不同特性的防沉剂进行对比试验，结果如表4所示。

表4 防沉剂种类对涂料及其涂层性能的影响Table 4 Effect of the type of anti-settling agent on the performance of paint and its coating

从表4可知，2种防沉剂均可起到防沉作用，其中水性蜡乳液F的防沉效果更优。水性蜡乳液F的结构为聚酰胺蜡，可在体系中形成强大的网状结构，具有优异的触变性和防沉效果。加入气相二氧化硅后，漆膜光泽下降明显，而加入水性蜡乳液 F后，漆膜光泽有所上升，这是因为气相二氧化硅具有消光性，而蜡助剂能够促进效应颜料更好地定向排列，从而获得良好的金属效果。另外，加入水性蜡乳液 F还提高了漆膜的铅笔硬度。蜡颗粒分散在涂膜表面，形成细微粗糙的表面，与外平面接触时，蜡颗粒起到支撑骨架的作用，减少了漆膜接触面积，可抵抗外力刮伤［12］。因此选择水性蜡乳液F为防沉剂。

2.4 水性仿金属塑料漆的综合性能

按最优配方制备了水性仿金属塑料漆，并测试了其性能见表5，因为国家尚未出台水性仿金属塑料涂料标准，所以与溶剂型塑料仿金属涂料的标准对比［13］。从表5可见，所制涂料能满足标准要求，综合性能较好。

图1显示了水性仿金属漆在PET塑料上的涂饰效果。其漆膜平整光亮，赋予了塑料底材优异的仿金属外观。

图1 水性仿金属漆在PET塑料板上的涂饰效果Figure 1 Finishing effects of waterborne metal-imitation plastic paint applied to PET board

3 结语

以单组分自交联丙烯酸乳液B为成膜基料，水性聚酰胺蜡防沉剂F为防沉助剂，与贮存稳定性较好的铝粉浆XH330和铜金粉K分别制备了水性仿金属银粉漆和金粉漆，所得涂料具有较好的贮存稳定性，其漆膜综合性能优良，金属效果明显，满足性能要求。

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［ 编辑：杜娟娟 ］

Preparation of waterborne metal-imitation plastic paints

// LI Zhuo-lin， LIANG Liang*， JIANG Jian-dong， CHEN Long

A waterborne metal-imitation paint applied to plastic surface was prepared using waterborne emulsion as binder，aluminum powder or bronze powder as effect pigment.The effects of type and amount of emulsion， effect pigment and anti-settling agent on the performances of coating were studied.The result indicated that the paints prepared using home-made one-component self-crosslinkable acrylic emulsion B as binder with 8% effect pigment （aluminum powder paste XH330 for silvery appearance and bronze powder K for golden appearance）， and waterborne wax emulsion F as anti-settling agent have a good storage stability， and the coatings obtained therefrom have an adhesion strength of 0 grade and a pencil hardness of 3H，showing good metal imitation appearance.

metal imitation paint； waterborne plastic coating； acrylic emulsion； aluminum powder； bronze powder； storage stability

TQ630.7

A

1004 - 227X （2016） 06 - 0295 - 05

2015-09-28

2015-11-20

李卓麟（1991-），男，广东佛山人，在读硕士研究生，从事水性涂料及油墨的研究。

梁亮，教授，（E-mail） liangl@gdut.edu.cn。