水性金属涂料用氨基醇分散剂

作者 Dr. Mark Langille，客户应用专家，安格斯化学公司，伊利诺伊州，Buffalo Grove

水性金属涂料面临着性能要求上的挑战，但随着水性技术的改进，它们正在取代越来越多的溶剂型涂料体系。金属涂料市场的一个不断增长的细分市场，也称为直接用于金属（DTM）涂料，其目的是满足与多涂层体系相同的性能标准，同时减少单涂层的施工时间、复杂性和成本。所有水性金属涂料都需要使用性能最好的原材料，以最有效的方式达到其性能目标。对于DTM涂料，耐腐蚀性和室外耐久性等性能至关重要，同时它也必须与高光泽和不透明的美学要求相平衡。在这里，我们探讨了如何最大限度地发挥氨基醇作为颜料高效分散剂的水性丙烯酸金属涂料的性能。

安格斯氨基醇的独特性质为水性配方提供了许多好处，包括有效的pH值控制和配方稳定性的增强。本研究中的氨基醇，2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）的分子量相对较低，以及pKa较高，使其成为一种高效的pH值调节添加剂（表1）。AMP也成为被美国EPA以及加拿大和韩国政府豁免VOC的品类，因此可用于制造符合低VOC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，这使它们成为了高效的颜料分散剂。AMP的氨基官能团可以与颜填料（例如二氧化钛、粘土和滑石粉）表面的负表面电荷发生强烈的相互作用，也包括一些其他的颜填料。

在本文中，我们展示了如何利用AMP的分散性来改善水性丙烯酸DTM涂料的许多性能属性，包括粘度稳定性、遮盖力、光泽度、耐候性和耐腐蚀性等。从三种不同的丙烯酸树脂制备的水性金属涂料的结果可以看出，这些性能改进在不同配方中都非常有效。总的来说，这些结果都说明了用氨基醇分散剂改善水性工业涂料性能的配方策略的普适性。

实验设计

在接下来的实验中，我们评估了两个主要变量：（1）AMP作为分散剂使用的添加量和（2）树脂化学。我们对AMP的三种使用水平进行了评估，每种使用水平在三种不同的树脂体系中，共制备了九份涂料。氨基醇是一种高效的分散剂，可以部分取代主要的聚合物分散剂，氨基醇含量越高，主要分散剂的添加量越小。虽然聚合物分散剂可以对金属涂层的光泽度、不透明度和耐腐蚀性产生显著影响，但氨基醇分散剂也是如此。我们对以下三种分散剂组合进行了评估，具体研磨配方如表2所示。

• 参考配方，使用供应商推荐的主要分散剂及用量（颜料固体上添加1.5%的分散剂），不含AMP。
• 总配方重量中含有0.1%的AMP，以替代30%的主要分散剂（颜料固体中添加1.0%的主要分散剂，和约0.5%的AMP）的配方。
• 总配方重量中含有0.15%的AMP，以替代50%的主要分散剂（颜料固体中添加0.75%的主要分散剂，和约0.75%的AMP）。

对于第二个实验变量，从三个不同的供应商中选择了三种用于水性金属涂料应用的丙烯酸树脂，分别为树脂A、树脂B和树脂C。树脂的描述和物理性质如表3所示。这三种树脂均基于苯乙烯-丙烯酸化学，但树脂A可与颜料表面相互作用，从而改善颜料颗粒在漆膜中的分布。树脂B和C是非颜料相互作用的，但分别设计用于150g/L和50g/L VOC配方。

在17.5%PVC和36%固体体积的水性半光泽DTM配方中，以同等固体份为基础对三种不同的树脂进行了评估。在每个配方中使用了相同的缓慢挥发的成膜助剂，尽管成膜助剂添加量已针对每种树脂的目标VOC水平进行了调整。我们也调整了每个树脂体系的流变改性剂的添加量，以达到相似的粘度曲线。除此之外，配方未作进一步地优化调整。调漆的成分如表4所示。需要注意的是，尽管在调漆阶段，AMP通常用作pH调节剂，但本研究中的所有配方均使用氨来调节到其目标pH值。因此，涂层性能的差异是由于在这些配方中使用了AMP作为分散剂。

结果与讨论

随着时间的推移，我们对室温下储存的涂料粘度进行了监测，包括在制备当天进行了初始测量，然后在隔夜、一周和四周后分别进行了后续测量。制备后涂料的ΔKU值的对比如图1所示。

随着时间的推移，树脂A的粘度上升最为显著，树脂B和树脂C的粘度上升幅度要小得多。树脂A的粘度上升幅度较大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所致。一般来说，使用AMP配制的涂料随着时间的推移会表现出更稳定的粘度，树脂A和树脂C的配方在AMP的最高使用添加量下显示出最佳的粘度稳定性。

在Leneta不透明卡纸上测量了每种涂料的对比率和光泽度值。无论树脂体系如何，AMP在改善遮盖力和光泽度方面都显示出明显的优势，在研磨阶段使用0.15% AMP制备的样品的测量值都最高。树脂A具有最高的初始对比率（图2）和光泽度值（图3），这是可以从树脂-颜料的相互作用中预期到，然而AMP的使用进一步改善了这些性能。在非反应性树脂体系中，遮盖力和光泽度的改善更为明显，AMP的最高添加量使树脂B和树脂C的改进最大。钢或铝基材上的光泽度值也呈现出与Leneta不透明卡纸结果相同的趋势，AMP的更高加量水平具有更高的光泽度值，尽管该数据未显示出来。

在四周后测量了König硬度值（图4）。树脂B的配方具有比其他配方更高的硬度值，这是基于其更高的最低成膜温度和更高的成膜要求。硬度随时间的波动可归因于实验室内不同的环境温度和湿度水平。树脂对硬度值的影响比AMP要大得多，但通常情况下，含有AMP的配方的König硬度值与不含AMP的配方相似，或略低。

我们在加速老化条件下测量了六周后的光泽保持度。数据中最明显的是，树脂体系之间的性能差异很大，树脂A在六周后保持了更高的光泽度（图5）。含AMP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，虽然树脂A的初始光泽度比树脂B好，但在整个实验过程中这两种树脂涂料均保持了较高的初始光泽度。对于树脂C，在实验过程中，添加和不添加AMP的样品之间的光泽度差异增加，AMP使该配方的光泽度保持得更好。虽然这些配方在光泽度保持方面可能无法完全优化，但我们观察到的总体趋势是，AMP既可以增加配方的初始光泽，也有助于在加速老化试验期间更好地保持某些体系的光泽度。

在将漆膜浸入自来水中24小时，再将湿膜干燥2小时后，我们测量了这些涂层的早期耐水性。发现早期耐水性值（以干膜重量所吸收水分的重量百分比表示）高度依赖于配方（图6）。树脂B的早期耐水性能最差，与其他树脂相比，配方中成膜物质的挥发水平要更慢，这是可以预期的。然而，如基于树脂B和树脂C的配方所示，加入AMP可以显著降低吸水率。这种早期耐水性的改善可能是由于颜料在漆膜中得到了更好的分布，也可能源于主要分散剂的部分被AMP所代替了。聚合物分散剂的羧酸官能团可使其具有高度的水敏性，众所周知，降低涂料配方中水敏材料的量可改善某些性能，包括早期耐水性。

我们也通过ASTM B117试验方法评估了涂层的耐腐蚀性。将大约2 mils的干膜厚度涂覆于清洁过的冷轧钢板上，并将其暴露在盐雾中1周（图7）。树脂化学成分对耐腐蚀性结果有一定的影响，但AMP的使用也有一定的影响。尽管差异相对较小，但在树脂A和树脂C配方中，AMP的添加量越高，耐腐蚀性就越好。总的来说，AMP对耐腐蚀性的改善主要体现在减少了的气泡数量方面，在某些情况下，还可以通过减少了的锈斑数量来观察到。

结论

水性工业涂料面临的许多性能挑战都与阻隔性能和光学性能有关，这两者都严重依赖于能否实现最佳的颜料分散。氨基醇（如AMP）是通过与颜料表面的强烈相互作用实现高质量颜料分散的强大配方工具，使用AMP优化颜料分散体的潜在好处是双重的。AMP可以帮助颜料更好地分布在干膜中，这可以直接改善涂层的光学和阻隔性能，如图8所示。此外，AMP的高分散效率可以显著减少主要分散剂的用量（30-50%），这可以进一步改善漆膜的水敏性，对早期耐水性的改善如图所示。

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、遮盖力、光泽度、耐候性、早期耐水性和耐腐蚀性等。重要的是，这也证明了这些提高在不同的树脂化学和配方中是有效的。虽然每种树脂都表现出不同的整体性能平衡，但AMP在改善涂料稳定性、遮盖力和光泽度等性能方面在所有配方中都是一致的。

在颜料研磨中使用总配方重量0.10-0.15%的AMP可以替代掉30-50%的主要分散剂。尽管本文中没有说明，但AMP实现的其他可能的配方优化也包括：由于氨基醇的润湿性和耐腐蚀性，表面活性剂水平可降低25%，以及防闪锈剂水平可降低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，可帮助配方设计师设计和优化水性工业防护涂料，以满足如今人们对性能的更高期望。

试验方法

涂料制备和测试均遵循标准的实验室规程。在室温下的四周时间，监测了涂料粘度的稳定性。在Leneta不透明度卡纸上涂覆3密耳湿膜厚度，测试了漆膜的对比度和光泽度值。在铝板上涂覆3密耳湿膜厚度，遵循ASTM D4366-16方法测量了漆膜的König硬度。QUV加速老化期间的光泽度保持测试，按照ASTM D4587-11方法来进行。在铝板上涂覆6密耳的湿膜厚度，干燥7天，然后暴露于8小时紫外线周期下，再冷凝4小时，并每周监测漆膜的光泽变化。根据ASTM B117方法，测量了冷轧钢板上2密耳干膜厚度样品的耐腐蚀性。通过在铝板上涂覆3密耳湿膜厚度测量了漆膜的早期耐水性，样板在环境温度下干燥2小时，然后完全浸入自来水中24小时。吸水率是指吸水量占干涂层总重量的重量百分比。欲了解实验的更多细节或此处提及但未发表的支持数据，可通过以下邮箱与作者取得联系：mlangille@angus.com。

参考资料

1 Severac, R.; Fernandes, Y. Painting a More Stable Picture.European Coat-ings Journal. 2018, 6, 2018, 18-21.
2 Troester, L.; Brutto, P.; Peera, A. The Journey to VOC Exemption. Paint & Coatings Industry. Jan. 2015.
3 Severac, R.; Fernandes, Y. Improving Pigment Dispersion and Paint Stability with Versatile Amino Alcohols. Coatings World.Sept. 2019, 132-135.

本文收录在《PCI中文版》杂志2022年6月刊中