汽车内饰抗刮亚黑聚氨酯涂料的研制

   日期:2021-06-30     浏览:138    
核心提示:随着中国社会经济持续快速发展,汽车保有量继续保持快速增长态势。截至2018年底,全国汽车保有量达2. 4亿辆,比2017年增加2 285
随着中国社会经济持续快速发展,汽车保有量继续保持快速增长态势。截至2018年底,全国汽车保有量达2. 4亿辆,比2017年增加2 285万辆,增长10. 51%。从车辆类型看,小型载客汽车保有量达2. 01亿辆,首次突破2亿辆,比2017年增加2 085万辆,增长11. 56%。庞大的汽车保有量和市场的快速增长意味着中国拥有巨大汽车涂料消费市场,汽车内饰涂料市场作为涂料行业重要的组成部分,当然也不例外。由于高光涂料光反射性强,对人的视觉容易造成困扰;同时消费者也越来越倾向于追求休闲化、个性化,再加上环保、原材料价格等因素影响,导致具有柔和视觉效果的单涂亚光PU涂料,特别是单涂亚黑PU涂料市场需求急剧增加。然而,在使用中人们发现,单涂亚光PU涂料,特别是汽车内饰漆广泛使用的亚黑PU涂料,涂膜在受到诸如指甲等尖锐外物刮划后,涂膜表面虽未被划破,但很容易留下光泽与未被刮划处不一样的光亮痕迹,目前业界一般采用选择高Tg 的树脂和添加蜡粉的方法来提高抗刮性能,虽有一定的成效,但并不理想,因此,如何解决刮划后产生的亮痕问题显得尤为突出。本研究在树脂方面搭配了经微纳米改进的树脂以提高抗刮性能,在助剂方面,利用蜡粉和镁强粉的协同抗刮作用,配方中同时加入蜡粉和镁强粉以达到提高抗刮性能的目的,通过对配方树脂及添加剂的选择与搭配测试,提出了改善亮痕问题的有效途径,为内饰亚光涂料的研究提供一定的参考。

1 实验部分
1. 1 主要原材料
LF-3120-6HV羟基丙烯酸树脂:立骅;HA3616C羟基丙烯酸树脂:日立化成;ZH-220羟基丙烯酸树脂、HY-1238羟基丙烯酸树脂:定制;6900-10X聚酰胺蜡:楠本;ZN-38蜡浆:岐阜;TF1792聚四氟乙烯蜡粉:路博润;BYK331流平剂:毕克助剂;TIN-22催干剂:海明斯;N3390 BA/SN 固化剂:科思创;纳米级SiO2:阿拉丁试剂(上海)有限公司;微米级SiO2:按文献[2]自制;OK520消光粉(粒径6. 5 μm)、OK607消光粉(粒径4. 4 μm):赢创;E - 1011 消光粉(粒径1. 5 μm):东曹;超细镁强粉:猴圣;黑色色浆:自制;乙酸乙酯、乙酸正丁酯、甲基异丁基酮、二丙酮醇、二异丁基酮:市售
1. 2 特殊改性功能树脂的制备
分别将纳米、微米SiO2分散在乙醇中,电动搅拌0. 5 h至溶液分散均匀,超声震荡0. 5 h;配制质量分数2%的硅烷偶联剂乙醇溶液,加入少量水使硅烷偶联剂水解,搅拌10 min;分别将纳米、微米SiO2的乙醇分散液与硅烷偶联剂乙醇溶液混合,搅拌1 h 至均匀,抽滤,80 ℃真空烘干,再重复用乙醇洗涤、离心,取底层沉淀,在80 ℃下真空烘干至恒质量,得到表面改性处理的纳米、微米SiO2。将改性微米级SiO2和纳米级SiO2 以质量比4∶1 混合,之后称取占总质量0. 5% 的混合改性SiO2 加入HA3616C 羟基丙烯酸树脂中,磁力搅拌20 min使其分散均匀,50 ℃密闭超声分散2 h制得改性功能树脂。
1. 3 样板的制备
按表1配方制备涂料,用W-101喷枪喷涂于测试胶片上,干膜厚度控制在20~25 μm,常温放置2~5 min之后置于80 ℃鼓风干燥烘箱中连续烘烤8 h,取出后自然冷却24 h进行涂膜性能测试。

2 结果与讨论
2. 1 主体树脂的选择及其对涂膜性能的影响
在单涂汽车内饰PU涂料中,通常以中低羟值的丙烯酸树脂作为主体,主要是因为:(1)中低羟值的丙烯酸树脂具有耐候性好、耐水耐化学品性优、干燥快的特点;(2)在ABS、PC、PC+ABS材料表面具有良好的附着力。本文制备的抗刮亚黑PU涂料,需要满足大众汽车关于内饰涂料的所有性能要求,在表1配方基础上,实验选用了3 种不同的树脂(ZH-220:固含50%,羟值15 mgKOH/g;HY-1238:固含50%,羟值60 mgKOH / g;LF - 3120 - 6HV:固含50%,羟值50 mgKOH/g),按大众汽车标准TL 226的方法测试了较为关键的几个性能要求,结果如表2所示。

注:(1)—要求没有颜色或手感变化,附着力0级,抗刮性不允许有裂纹,允许因负荷造成在基底层上印痕;(2)允许光泽增加,没有颜色和手感变化,附着力0级,抗刮性不允许有裂纹,允许因负荷造成在基底层上印痕。下同。
由表2可知,ZH-220水解存放和耐护肤霜测试不通过,主要原因可能是其交联密度较低,涂膜结构耐湿热破坏性差。HY-1238树脂和LF-3120-6HV都通过了关键性能测试,其中,HY-1238树脂在3种树脂中羟值高,本身拥有较高的光泽,当涂膜需要降低到相同光泽时,由HY-1238树脂制作的配方需要加入更多的消光粉进行消光,可能会导致消光粉在表面聚集,从而降低体系中蜡粉、蜡浆、镁强粉协同抗刮的作用。而LF-3120-6HV树脂硬度高、交联结构多、耐护肤霜性及耐水解存放稳定性好、容易消光,因此,实验选取LF-3120-6HV作为配方主体树脂使用。
2. 2 改性功能树脂用量对涂膜性能的影响
自制的改性功能树脂具有柔性成分,可以很好地平衡成膜时内应力的变化,并赋予涂膜一定的回弹性,同时其具有较高的反应性,能使涂膜形成较高的交联密度,从而提高了涂膜的耐化性能。将自制改性功能树脂加入涂料配方中,在表1配方基础上,改变改性功能树脂用量,按TL 226标准分别测试涂膜水解存放稳定性和耐护肤霜性,同时测试了涂膜抗刮性,结果如表3所示。

注:(1)—10 N负荷,测试针按照Bosch(针尖为0. 75 mm)标准,使用型号318的Erichsen测试棒进行测试,目视评判因负荷造成在漆面上的印痕,下同。
从表3可以看出,不加改性功能树脂的配方,无法通过水解存放和耐护肤霜测试,抗刮性不佳,刮后产生的亮痕较明显;当加入5%的改性功能树脂时,刮痕得到了一定的改善,耐护肤霜测试也能通过,但水解存放测试失败;当改性功能树脂占配方量的10%时,涂膜即表现出优异的耐护肤霜性和水解存放稳定性及抗刮性。这说明在亚光体系中,树脂对涂膜在受刮划后产生亮痕的轻重有一定的影响。其原因可能是微纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、光学效应、量子尺寸效应等特殊性质,可以有效地提高高分子材料及其涂层的摩擦学、力学、机械等性能。
2. 3 消光粉对涂膜抗刮性的影响
在表1配方基础上,选用不同消光粉,考察不同种类消光粉对涂膜性能的影响,结果如表4所示。

物体表面光泽和物体表面的粗糙程度紧密相关,根据微表面理论知识,可根据式(1)计算:
h=λ/cosα 式(1)
式中:h —粗糙度;λ —入射光的波长;α—入射角。
当入射角取60°,可以得出h=1. 1 μm,即当物体表面粗糙度大于1. 1 μm时,物体表面会显得凹凸不平,光泽降低。消光粉的颗粒孔体积、平均粒径及粒径分布、干膜厚度以及颗粒表面是否经过处理等因素,都会影响到它的消光效果。有研究表明,当消光粉的平均粒径在3~5 μm之间时,可以得到消光效果较好的涂膜。从表4可以看出,E-1011粒径小,消光效果差,在保持光泽相似的情况下,其用量大,这意味着涂膜表面会聚集更多消光粉,从而使其抗刮性能下降;OK520使用量低,消光效果好,但因其粒径较大,相同条件下涂膜表面更加粗糙,即消光粉明显地突出于表面,致使其抗刮性能也相应下降;OK607的抗刮性能好,说明其平均粒径、粒径分布、孔体积等要素更适合抗刮亚光漆的应用,终配方选取OK607作为主体消光剂。
2. 4 镁强粉和蜡粉对涂膜抗刮性能的影响
根据微粉化蜡的“漂浮理论”,在涂膜形成过程中,蜡会向涂膜表面漂移,在涂膜表面以微球状态形成一层低摩擦系数的膜层;同时,片状微晶结构的镁强粉摩擦系数低,具有很好的抗刮性以及优良的悬浮性能。在微粉化蜡向上漂浮,镁强粉又具有较好的悬浮性等综合作用下,镁强粉就会在蜡排列层的低凹处及偏下部分和蜡粒子形成共混密集排布层,从而和蜡粉共同起到增强抗刮性能的作用,作用示意图如图1所示。在表1配方基础上,改变镁强粉用量,测试涂膜水解存放前后的附着力,测试结果如表5所示。

由表5可知,当镁强粉加入量为2%和4%时,涂膜常规附着力和水解存放后的附着力都为0级,加入量4%的抗刮性能较好;当加入量为6%时,涂膜常规附着力0级,抗刮性能良好,水解存放后附着力出现稍微下降,随着加入量增加至8%,涂膜常规附着力和抗刮性能仍很好,但水解存放后的附着力急剧下降至3级。镁强粉作为具有优良抗刮性能且价格低廉的颜料,加入量越大,配方成本就会越低,但涂膜水解存放后的附着力会随之下降,原因可能是随着镁强粉用量的增加,镁强粉在涂膜中的体积浓度上升,树脂对其包裹性下降,同时与基材接触界面处会聚集更多的包裹性下降了的镁强粉粒子,从而导致涂膜耐介质渗透性有所下降。终实验选取了4%的镁强粉加入量。
2. 5 稀释剂对涂膜抗刮性能的影响
汽车内饰抗刮亚黑PU涂料用稀释剂由多种有机溶剂调配而成,配制稀释剂时,须充分考虑各组分溶剂的挥发速率、表面张力、溶解度等参数,使其对涂料各组分及素材润湿性佳,对树脂溶解性好,整体挥发梯度适宜,这样干燥后的涂膜就会流平好、表面致密细腻、消光剂排布均匀、抗刮性强。表6为稀释剂配方。

2. 6 涂料综合性能测试结果
涂膜性能测试结果见表7。


由表7可知,涂膜的各项性能都通过了大众汽车内饰件涂膜性能要求,同时涂膜被刮划后产生亮痕的问题也得到了有效改善。

3 结语
本研究重点是在保证符合汽车内饰高耐化性要求的前提下,做到低光泽涂膜的高抗刮性。通过对主体树脂、改性功能性树脂的优化选择与配比,充分考量了在消光体系中消光粉、蜡粉、蜡浆、镁强粉的选择与搭配应用,使之形成光散射好、表面均匀的坚硬涂膜表面,尽可能地提高了抗刮性。
 









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