水性丙烯酸涂料在铝材上附着力的研究

江 涛 （中远关西涂料化工有限公司，天津 300457）

0 引言

传统溶剂型涂料在使用过程中会向环境中排放大量的挥发性有机化合物（VOC，Volatile Organic Compound），造成大气污染，给人类健康带来危害，因此在应用过程中受到很大限制。为了适应环保需要，采用水性涂料替代溶剂型涂料迫在眉睫。水性丙烯酸涂料无毒无味，施工性能好，应用领域越来越广泛，涉及家装，油墨以及金属防腐领域。但是相较于聚氨酯涂料和环氧涂料，丙烯酸涂料对基材的附着力相对较差，尤其是在特种底材（如铝材、不锈钢、镀锌底材等）上，这限制了丙烯酸涂料的应用。如何提高丙烯酸涂料对基材的附着力是提高丙烯酸涂料防腐性能的关键。

本研究制备了一款水性丙烯酸涂料，其在铝基材上具有优良的附着力，并在实际领域中获得成功应用。

1 试验部分

1.1 原料和仪器

原料：水性丙烯酸树脂，分散剂，消泡剂，硅烷偶联剂，流平剂，基材润湿剂，成膜助剂，防霉剂，增稠剂。

设备：高速分散机，天平，细度板。

1.2 水性丙烯酸涂料的配方

水性丙烯酸涂料的配方如表1 所示。

表1 水性丙烯酸涂料的配方Table 1 Formula of waterborne coatings

1.3 水性丙烯酸涂料的性能

参照HG/T 4758—2014 标准的要求进行性能测试，水性丙烯酸涂料的性能参数如表2 所示。

表2 水性丙烯酸涂料的性能Table 2 Performances of waterborne acrylic coatings

续表2

2 结果与讨论

2.1 树脂的影响

Friedrich 等［1］通过试验证明，将极性基团—COOH和—OH 引入到聚合物中能明显提高聚合物与铝材的附着力，并且极性基团密度越大，附着力越高。Yamabe等［2］的研究表明，聚丙烯酸中的羧基能够与铝基材结合形成化学键。因此，通过对水性丙烯酸树脂进行改性，提高树脂中活性基团，如—COOH、—OH的量，使其能够与铝基材发生反应，产生共价键，是提高水性丙烯酸涂料附着力的一种有效手段。另外，共聚单体种类对附着力也有影响。胡飞等［3］的研究表明，丙烯酸丁酯在铝基材上的渗透能力很强，因此，在水性丙烯酸树脂的制备过程中，可以采用丙烯酸丁酯进行共聚并适当提高其含量。

2.2 纳米粒子的影响

许多报道［4-5］中都提到，在涂料中加入纳米粒子，如纳米二氧化钛、纳米二氧化硅等可以提高涂层和基材之间的附着力，这可能是因为纳米粒子的尺寸较小，比表面积非常大，在聚合物成膜后，纳米粒子使漆膜表面变得非常粗糙，增加了漆膜表面和基材的接触面积，从而使附着力增加。纳米粒子有亲油和亲水改性之分，在水性涂料中，亲水改性的纳米粒子与体系相容性好，但是大量的亲水纳米粒子增加了漆膜的亲水性，即使纳米粒子能够提高漆膜的初期附着力，仍大大降低了体系的湿附着力，因此，要严格控制亲水改性纳米粒子的加入量，把握好初期附着力和湿附着力之间的平衡。亲油改性纳米粒子不但能够增加漆膜附着力，同时还能降低体系的亲水性，提高涂层的防腐性能，但是亲油改性纳米粒子与水性涂料的相容性差，容易使乳液破乳，纳米粒子的加入方式，加入量以及加入阶段都很重要。

2.3 PVC（颜料体积浓度）的影响

涂料中的树脂对附着力起到关键作用，随着PVC的降低，涂料中树脂含量增加，可以增加活性基团与基材的接触，进而提高涂层附着力，但是PVC 过低，会导致漆膜硬度降低，耐酸碱性下降，同时涂料的成本将增加。提高PVC 虽然降低了涂料中活性基团的含量，但是粉料的加入可以使漆膜表面变得粗糙，增大漆膜与基材的接触面积，从而提高附着力。PVC 对附着力的影响如图1 所示。由图1 可见，当PVC ≤17 %时，附着力能达到3级。因此本试验选择PVC为17 %。

图1 PVC 对涂层附着力的影响Figure 1 Influence of the PVC on the adhesion of coating

2.4 硅烷偶联剂的影响

硅烷偶联剂R1—Si—（OR）3通常作为附着力促进剂加入到涂料体系中，—R1基团可以与涂料中的有机树脂进行反应，—（OR）3水解生成的—OH 能够与金属基材的—OH 进行反应，从而使硅烷偶联剂起到桥梁作用，增加了涂层的附着力，如图2 所示。硅烷偶联剂的加量对涂层附着力的影响见图3。当体系PVC 为17 %时，随着硅烷偶联剂加量的增加，涂层附着力逐渐提高，当其加量达0.6 %时，附着力达到1 级。因此配方中硅烷偶联剂的加量定为0.6 %。

图2 硅烷偶联剂的作用机理Figure 2 Action mechanism of the silane coupling agent

图3 硅烷偶联剂加量对涂层附着力的影响Figure 3 Influence of the amount of silane coupling agent on adhesion of coating

2.5 其他因素的影响

水性涂料以水为溶剂，水的表面张力较大，对基材润湿差，通常在水性涂料体系中要加入基材润湿剂来降低水的表面张力，从而有利于涂料在铝基材上的铺展，涂料中的有效物质才能够与铝基材进行很好的接触，从而提高涂层对铝基材的附着力。另外，铝制基材表面的粗糙程度对涂层附着力的影响也很大。光滑的铝表面与涂层锚定的面积较少，不利于附着力的提高，施工前，如果能够对基材进行打磨，提高基材表面的粗糙度，增加基材表面的孔隙，使涂料能够浸润到这些孔隙当中，提高涂层与基材的接触面积，能够在很大程度上提高涂层的附着力。

3 应用

该水性丙烯酸涂料已在青岛某阀门制造公司的铝型材上成功使用，作为单组分涂料，涂装便利，附着力优异；同时作为水性产品，大大减少了有机溶剂的排放和危害，且在成本上优势明显，全面替代了进口产品。

4 结语

采用乳液型水性丙烯酸树脂作为涂料的树脂体系，通过配方调试，确定PVC 为17 %，加入0.6 %的硅烷偶联剂，制得了贮存稳定性良好，在铝制基材上附着力良好的水性丙烯酸单组分涂料。