笔记本电脑塑料外壳复合涂料体系的制备与研究
方 博1，2，钟伟山1，2，李国军1，2，李德斌1，2
（1. 广州擎天材料科技有限公司，广东广州 510860 ；2. 中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510080）
0 引言
一直以来，计算机、通讯和消费电子产品对防腐和外观装饰都有较高的要求，而这与其所用的涂料关系密切。外表涂层工艺的好坏，已经成为决定产品档次的重要指标之一。许多厂家不断在此方面进行攻关，将其作为产品的卖点。比如表面涂有抗菌涂料的MP3，钢琴漆外观的笔记本电脑，甚至涂有减少电磁辐射涂料的手机等等。3C 产品生产厂家对更先进、更个性化涂料的需求与日俱增。
笔记本电脑塑料外壳的涂装是其制造流程中的重要一环，它不仅赋予电脑各种颜色，更可以为产品提供外层防护，增强其抗刮性、耐磨性以及使用耐久性，因此备受行业的关注和重视。目前笔记本电脑涂料市场以双组分聚氨酯（PU）涂料和紫外光固化（UV）涂料两大类为主。其中UV 涂料以其优异的抗刮性、耐磨性、防导电性和耐候性等性能成为市场不可或缺的一部分，涂装时需辅以底层涂料进行施工。
本文介绍一种笔记本电脑塑料外壳涂装用水性塑料底漆+ 紫外光（UV）固化面漆的复合涂料体系。与现有产品相比，该体系的底漆为水性涂料，配方符合国内外环保标准的要求，漆膜更稳定，耐湿热性更好，不易出现掉漆、开裂等现象；配以UV 面漆，采用低气味助溶剂和UV 单体，不含苯类、酯类、酮类等高毒性溶剂，对底漆侵蚀性较小，产品气味低，交联反应较温和，与水性塑料UV 底漆配套使用，具有施工方便、应用安全、经济环保等优势。
1 实验部分
1.1 水性塑料底漆的制备
在800~1 000 r/min 的搅拌速度下，按照配方量（如表1 所示）依次加入乳液树脂、去离子水、成膜助剂、消泡剂、润湿剂、流平剂、增稠剂和水性颜料浆等原材料，搅拌均匀，即得水性塑料底漆。使用前必须将漆液充分搅匀，用纯净水稀释至施工黏度，用200~300 目滤网过滤。
1.2 UV 面漆的制备
按照配方量（如表2 所示）依次加入光引发剂、活性稀释剂、聚氨酯丙烯酸树脂、消泡剂、流平剂等原材料，高速分散均匀即可。
1.3 复合涂料体系的施工工艺
（1） 基材表面预处理：在水润湿的情况下，用1 000~1 500 目的细纹砂纸对塑料基材进行打磨，然后用洗壳水擦净，再用高压气枪吹尘；
（2） 在预处理过的塑料基材表面喷涂水性塑料底漆，流平2~3 min，放入烘箱进行烘烤（65℃ /30 min）；
（3） 涂装配套的UV 面漆，40℃预热5 min，UV机四灯全开（2 kW×4pcs），灯距15 cm，速度2.5 m/min，固化。
1.4 技术指标
复合涂层的性能指标见表3。
2.2 润湿流平剂对底漆性能的影响
2 结果与讨论
2.1 底漆树脂的选择
基料树脂的性能直接决定了底漆涂膜的成膜性能。目前3C 类产品外壳材料多为PC（聚碳酸酯）、PS（聚苯乙烯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、HIPS（高抗冲聚苯乙烯）类型塑料，其表面主要存在低温成膜附着力差，漆膜残留应力开裂的问题。在选择水性塑料底漆用树脂时，先选用单组分低温快干的自交联乳液树脂进行比较实验，选用同一成膜助剂，通过比较不同树脂配制的清漆所需成膜助剂用量、涂膜的成膜性、附着力以及漆膜的铅笔硬度来选择合适的基料树脂。本实验选用HD1092、PC-21、CR-763、WL-91、7010N 5 个牌号的乳液树脂进行实验。表4为这5 个不同牌号的丙烯酸酯乳液树脂的性能参数。
由表4 可见：针对相同的树脂固含量，添加相同用量的成膜助剂，5 种树脂的成膜铅笔硬度都能达到F 级，但是成膜性和附着性对比结果显示，乳液树脂7010N 的性能明显优于其它4 种树脂，因此本实验选择7010N 乳液树脂作为底漆的基料树脂。
由表4 可见：针对相同的树脂固含量，添加相同用量的成膜助剂，5 种树脂的成膜铅笔硬度都能达到F 级，但是成膜性和附着性对比结果显示，乳液树脂7010N 的性能明显优于其它4 种树脂，因此本实验选择7010N 乳液树脂作为底漆的基料树脂。
塑料工件是一类具有较低极性和表面自由能的特殊基材，水性涂料一般在上面难以润湿流平，需添加润湿流平剂。它在涂料体系中能够自发地迁移到漆膜表面，提供均匀的表面张力，并保持表面张力在整个漆膜干燥过程（包括溶剂挥发与树脂交联两大过程）中不发生大的变化，促使涂料在干燥成膜过程中形成平整、光滑、均匀的涂膜。使用单一的润湿流平剂，对改善目标涂料体系的润湿性、流平性、防开裂性和防缩孔性等有不同程度的作用，但是作用效果单一，流平效果好的，润湿效果一般；防开裂效果佳的，流平性又较差。本实验选用德国毕克公司提供的BYK-333 与BYK-349 混合复配作为目标涂料体系的润湿流平剂，利用其协同作用使得目标涂料漆膜外观达到佳。
2.3 消泡剂对底漆性能的影响
水作为水性塑料底漆的主要分散介质具有较高的表面张力，在涂料体系中加入的润湿流平剂多为表面活性剂的一类，所以在生产过程中搅拌容易导致大量气泡的产生。配制涂料后期，随着增稠剂和颜料浆的加入，涂料体系的黏度升高，容易稳泡和影响涂膜在固化过程中气泡的溢出，从而导致漆膜出现微泡等缺陷，所以在配制目标涂料时需添加配方总量0.2%~0.5% 的消泡剂。本实验采用高速分散方法，将几种常见的市售消泡剂添加到底漆体系进行对比分析，并喷涂于塑料件后直接放入烘箱于65℃ /3 min条件下烘烤，观察样板烘烤前后的涂膜外观，结果见表5。
由表5 可见：Tego 825 消泡剂的消泡能力较弱，放置12 h 后还有较多的气泡，而且喷涂在塑料基材上观察发现其板面有轻微缩孔，烘烤后漆膜严重起泡；EFKA-4050 和BYK-022 的消泡效果也不理想；Tego 904W 消泡剂的消泡能力较强，短期内能够消除大量气泡，烘烤后板面也无起泡现象，但是喷涂在塑料基材上观察发现板面有较明显的缩孔，而选用BYK-080 消泡剂的涂料体系喷涂在塑料基材上，发现其板面没有缩孔现象，而且其消泡能力较强，短时间内能够消除体系中的大量气泡，12 h 后完全无气泡，烘烤后板面无任何起泡现象，所以本实验确定选用BYK-080 消泡剂。
2.4 底漆烘烤温度对UV面漆的影响
底漆烘烤温度对UV 面漆性能的影响见表6。
底漆烘烤温度对UV 面漆性能的影响见表6。
实验结果表明：底漆烘烤温度在60℃以上，才能保证底漆中的残留水分和其他挥发分充分蒸发掉，使得UV 面漆喷涂在底漆表面固化成膜后能够保持较高的光泽，耐水性也达到要求。
2.5 光引发剂对UV面漆固化的影响
光引发剂是UV 涂料的重要组成部分，它在UV固化涂料中能产生引发固化反应的活性基团，是决定UV 涂料固化程度和固化速度的主要因素。本实验选择1- 羟基环己基苯基甲酮作为UV 面漆用光引发剂，其固化时间短，价格低，无毒，无污染，稳定性较佳。光引发剂用量对涂膜固化时间的影响见表7。
由表7 可见：在不加光引发剂的条件下，采用紫外光对涂层进行照射，即使延长照射时间，涂层仍然发黏，不能固化成膜。随着光引发剂用量的加大，固化时间先快速缩短，达到一个小值，然后又有所延长。可见光固化时间并不是随着光引发剂用量的持续增加而缩短，这是因为在特定的UV 体系中，都有一个佳的光引发剂用量。引发剂用量过低，所生成的自由基少于有效进行反应所需的数目，会延长固化时间；随着引发剂用量的提高，产生自由基的数目增多，固化时间缩短。但如果引发剂用量过高，将会产生过量的自由基，两自由基的独电子容易结合成共价键，产生偶合终止。若偶合终止变为主要反应时，会降低固化速度。另外，涂膜表层过量的光引发剂对紫外光的吸收也会导致固化速度的下降，使固化时间延长，并且还会影响UV 涂料的贮存稳定性。本体系中光引发剂用量以1.0% 为宜。
2.6 助剂对UV面漆的影响
笔记本电脑外壳的手感和抗划伤性是判断产品优劣的指标之一，添加适量的平滑剂，往往会达到令人满意的效果。紫外光固化涂料所用的平滑剂除了本身的爽滑感要求以外，发挥作用的关键还在于其能否迅速从漆膜中迁移至漆膜表面。实验发现，道康宁DC-57 平滑剂在目标UV 面漆体系中能呈现其优异的爽滑感，提高漆膜的抗划伤性。其用量为0.1%，即可降低涂膜的动态摩擦系数，提高涂料的流动性，防止气泡、鱼眼等缺陷的产生，使得UV 面漆的漆膜具有优异的爽滑感，增加漆膜的抗划伤性和抗磨损性。
UV 面漆施工流水线短，涂膜固化前的静置流平时间也较短，往往在涂膜未完全流平时即已固化完全，从而漆膜表面出现凹凸不平的现象。实验发现：BYK-331 流平剂与道康宁DC-57 平滑剂配用，添加量为0.08%，即可有效提高UV 面漆的流平性，促使涂膜迅速铺展自流平，对涂膜透明度也无明显影响。
UV 面漆在施工过程中或多或少会产生气泡，同样会导致漆膜出现许多缺陷。需添加一定量的消泡剂来起到消泡、抑泡的作用。实验表明，在涂料中消泡剂XXX 添加量为0.1% 时，可以迅速达到消泡、抑泡的目的，防止漆膜出现鱼眼、火山口和针孔等缺陷。
2.7 活性稀释剂对UV面漆的影响
2.7 活性稀释剂对UV面漆的影响
活性稀释剂可以调节UV 面漆的黏度，改善其施工性能，并参与涂料固化成膜的反应，直接影响到面漆漆膜的性能。活性稀释剂对漆膜性能的大影响是其与底漆的附着力，它们对底漆涂层有一定的渗透性，渗入底漆涂层中并在UV 灯辐射固化后，形成楔子效果，与底漆涂层完全咬合在一起。不同的活性稀释剂在UV 固化过程中呈现不同的收缩率，选择收缩率较低的活性稀释剂有利于提高面漆的附着力。实验表明，1，4- 环己基二甲醇二乙烯基醚（CHVE）固化收缩率低，能够轻微咬合底漆表层，达到提高面漆与底漆间附着力的效果，同时面漆涂层的延展性也较好。
2.8 光能量对UV面漆的影响
UV 涂料主要是依靠吸收光能量才能够发生交联固化反应，光能量的强弱直接关系到UV 涂料的反应程度，并且影响后期漆膜的性能。本实验通过调控不同光能量强度，观察其对UV 面漆性能的影响，结果如表8 所示。
由表8 可见：当UV 灯光能量低于600 mJ/cm2时，由于引发反应的能量不足，涂料固化成膜的反应不够完全，涂膜的性能显著降低；光辐射能量在900 mJ/cm2 时，涂膜固化完全，综合性能较好。
3 结语
针对市场对笔记本电脑塑料外壳的涂装要求：
（1） 选用水性低温快干的自交联型乳液树脂7010N 作为水性塑料底漆的主要成膜树脂；润湿剂BYK-349 和流平剂BYK-333 配用作为底漆的润湿流平体系；BYK-080 作为消泡剂；烘烤温度控制在
60℃以上。
（2） UV 面漆的光辐射能量控制在900 mJ/cm2 ；选用1- 羟基环己基苯基甲酮作为UV 面漆用光引发剂；1，4- 环己基二甲醇二乙烯基醚（CHVE）作为UV 面漆的活性稀释剂；流平剂、平滑剂和消泡剂分别选用BYK-331、道康宁DC-57 和XXX。
该复合涂料体系符合国内外环保标准的要求，漆膜更稳定，耐湿热性更好，不易出现掉漆、开裂等现象；与传统溶剂型涂料体系相比较，该复合涂料体系在固化过程中增加了一道闪干的工艺，具有施工方便、应用安全、经济环保等优点，突出了环保型涂料的优势，目前该产品已经通过客户试用认可。
该复合涂料体系符合国内外环保标准的要求，漆膜更稳定，耐湿热性更好，不易出现掉漆、开裂等现象；与传统溶剂型涂料体系相比较，该复合涂料体系在固化过程中增加了一道闪干的工艺，具有施工方便、应用安全、经济环保等优点，突出了环保型涂料的优势，目前该产品已经通过客户试用认可。
