聚氨酯亚光涂料光泽不稳定因素的探讨
廖小平，王志强，李胜强
摘要：聚氨酯亚光面漆光泽不稳定的因素有很多种，不仅跟涂料配方设计有关，而且跟施工配比、涂膜厚度、干燥温度等都有很大的关系。
关键词：亚光面漆；光泽；施工配比；涂膜厚度；干燥温度
0 引言
轨道交通行业所用涂料先后经历了全套醇酸体系、环氧底漆/丙烯酸改性醇酸面漆、环氧底漆/双组分聚氨酯面漆，双组分丙烯酸聚氨酯涂料目前在铁路机车、客车、高铁、城市轨道交通车辆上运用得最广泛。近年来，在“一带一路”的国家战略引领下，高铁、机车、地铁等相继走出国门，直接参与了国际竞争，推动了国内轨道用涂料行业的发展。
但随着轨道交通产品质量不断提升，目前轨道车辆在选用涂料上，不仅对性能越来越重视，而且对涂膜装饰性也提出更高的要求。尤其在车内装饰涂料的选择上，传统的高光涂料由于反射能力强，长期刺激人的眼睛，让人产生不舒适感，而亚光表面的物体由于给人稳重典雅的感觉，既适应现代美学观，又使视力不易疲劳，更好地迎合人们的喜好，所以目前车内装饰涂料中，亚光涂料越来越受到客户的青睐。与此同时，越来越多的涂料涂装企业进入到轨道交通行业中，产品竞争越来越大。涂料生产商一方面要持续地对配方进行优化，另一方面则要做好售后技术服务公关，时刻准备为客户提供解决方案。由于亚光涂料具有光泽不稳定的特点，一直是困扰业界的难题，经常出现出厂检验合格，但到客户处使用后却反馈有关泽度超差的现象。本文通过对亚光面漆展开研究，在配方固定的情况下，从施工配比、涂膜厚度、干燥温度等3个方面，找出影响亚光光泽的因素，从而指导客户方施工，解决光泽不稳定的问题。
1 试验部分
1.1 试验试剂及仪器
1.1.1 主要试验仪器和工具
喷枪，60°光泽仪，调墨刀，电子秤，一次性杯子，打磨机，320目砂纸，除尘布，鼓风干燥箱，涂膜测厚仪，恒温恒湿箱。
1.1.2 主要试验材料
试验材料：亚光色漆，固化剂，稀释剂。 光泽检测：选用A4铝板，所有试验板喷涂前需进行打磨处理，并保持饰面的清洁。
1.2 试验方法
1）取多块A4铝板，用320目砂纸打磨，然后用除尘布擦干备用。
2）取丙烯酸聚氨酯亚光色漆300 g、面漆固化剂120 g、面漆稀释剂100 g备用。
3）取A4铝板5张，编号1# ~ 5#，将色漆、固化剂、稀释剂按不同比例配漆，同一施工人员按相同的手法与道数喷涂于A4板上，在相同的时间及温湿度条件下进行流平及干燥（电热鼓风干燥箱60 ℃×1 h），干燥后置于恒温恒湿箱冷却至常温，按GB/T 1748用60°光泽仪测试光泽。
4）取A4铝板4张，编号6# ~ 9#，按m（色漆）∶m（固化剂）∶m（稀释剂）=1.0∶0.4∶0.2配漆，同一施工人员使用不同质量的涂料喷涂于铝板上，在相同的时间及温湿度条件下进行流平及干燥（电热鼓风干燥箱60 ℃×1 h），干燥后置于恒温恒湿箱冷却至常温，用涂层测厚仪测量涂层厚度，根据GB/T 1748用60°光泽仪测试光泽。
5）取A4铝板板4张，编号10# ~ 13#，按m（色漆）∶m（固化剂）∶m（稀释剂）=1.0∶0.4∶0.2配漆，同一施工人员使用相同质量的涂料喷涂于铝板上，在相同的时间及温湿度条件下进行流平后，置于不同温度下进行干燥，干燥后置于恒温恒湿箱中冷却至常温，按GB/T 1748用60°光泽仪测试光泽。
6）记录数据。
2 结果与讨论
2.1 消光机理
本试验所用的亚光涂料，主要的消光剂是二氧化硅，涂料进行施工后，稀释剂覆盖在涂膜上层，消光剂随颜料、成膜物质等分布在中下层，涂膜优先经历流平状态，此时涂膜表面呈现出镜像状态。随后消光粒子逐渐向外表面迁移，二氧化硅作本身具有一定的粒径，当稀释剂挥发及涂膜干燥后，消光粒子可在涂膜表面形成凹凸不平的状态，当光照射到涂膜表面时，由于漫反射原理，从而降低了光泽。
2.2 不同施工配比对光泽的影响
试验用亚光涂料属于双组分涂料，按照配方理论计算，试验所用的涂料，建议m（色漆）∶m（固化剂）质量比为1.0∶0.4混合后，流动性比较差，不利于施工，此时需添加一定量的稀释剂再进行喷涂，“亚光”的形成受许多因素影响，尤其是随着溶剂的挥发，在涂膜的干燥过程中，消光粒子会有一个定向的排布过程，本试验通过改变色漆、固化剂、稀释剂的比例，在同一干燥方式及膜厚的情况下，研究不同配比对光泽的影响，结果见表1所列。
表1 不同施工配比对涂膜光泽度的影响
样板编号 | 色漆/g | 固化剂/g | 稀释剂/g | 60°光泽/% |
1# | 20 | 8 | 4 | 47.9 |
2# | 20 | 4 | 4 | 23.8 |
3# | 20 | 12 | 4 | 64.9 |
4# | 20 | 8 | 6 | 49.3 |
5# | 20 | 8 | 8 | 56.2 |
从表1可知，固化剂的配比低于参考值时，光泽明显偏低，高于参考值时，光泽偏高；稀释剂的用量，在不影响施工的情况，稀释剂的配比越高、光泽就越高。因为在此涂料体系中，主要的成膜物是由羟基丙烯酸树脂及异氰酸酯交联而成，异氰酸酯作为固化剂的主要成分，它不仅是成膜的主要成分，而且它还影响双组分的交联速度，当—NCO/—OH<1时，会造成双组分的交联速度变慢，当—NCO/—OH>1时，即固化剂过量，成膜速度加快，涂料施工后，消光剂会逐渐向涂膜表面迁移，但随着涂膜的形成，消光剂的迁移受到抑制，涂膜的形成及干燥速度越快，能够聚集到涂膜表面的消光剂就越少，反应出来的光泽越高，反之越低。由于不同的溶剂种类会对消光效果的有影响，在使用的配套稀释剂中，主要使用的混合溶剂体系整体出来的是阻碍消光剂的迁移，稀释剂含量越高，光泽越高，当稀释剂占涂料的20% ~ 30%时，对光泽度的影响不大。
2.3 不同膜厚对涂膜光泽的影响
在涂装过程中，由于涂装工人喷涂手法的差异，可能会导致工件最终涂层厚度的不一致，在配方固定的情况下，按照常理，涂膜越厚，消光剂含量越多，消光效果越好。但实际上消光粒子要迁移到涂膜表面，需要时间及能量，在迁移的过程中受到多方面的影响。本试验通过在A4底板上喷涂不同道数，考察不同的涂膜厚度对光泽的影响，结果见表2所列。
表2 不同膜厚对涂膜光泽度的影响
样板编号 | 干膜厚度/μm | 烘烤时间（60 ℃）/min | 流平与否 | 60°光泽/% |
6# | 40 | 60 | 是 | 61.2 |
7# | 50 | 60 | 是 | 58.1 |
8# | 60 | 60 | 是 | 56.2 |
9# | 80 | 60 | 是 | 68.4 |
从表2可知，干膜厚度为40 ~ 60 μm时，光泽稍有下降，但是光泽变化不大，膜厚为60 ~ 80 μm时，光泽明显升高，当膜厚达到80 μm时，光泽明显超出误差范围。膜厚低于60 μm时，湿膜越薄，二氧化硅含量也越低，涂料干燥成膜的速度越快，导致光泽越高。当干膜厚度大于60 μm时，湿膜越厚，消光粒子迁移到表面的行程及阻力越大，当溶剂挥发到一定阶段后，自由体积减小，从涂层中扩散至表面受阻，其挥发速率明显减慢，进入干膜阶段，导致消光粒子无法充分地迁移至涂膜表面，降低了消光效果。
2.4 不同干燥温度对涂膜光泽的影响
稀释剂挥发和涂膜形成的速度对涂层表面的消光效果起着关键的作用，除了这2种条件外，涂料的流变性和消光剂的悬浮性也对粗糙度有影响。在涂料干燥过程中会有消光剂的扩散和对流现象，这与干燥时的温度有关。本试验在涂料施工后烘烤时间、涂膜厚度、流平时间一样的情况下，通过改变干燥温度，考察不同温度下涂料交联成膜后光泽的变化，结果见表3所列。
表3 不同干燥温度对涂膜光泽稳定性的影响
样板编号 | 干膜厚度/μm | 烘烤温度/℃ | 流平与否 | 60°光泽/% |
10# | 50 | 40 | 是 | 47.3 |
11# | 50 | 60 | 是 | 54.9 |
12# | 50 | 75 | 是 | 56.2 |
13# | 50 | 85 | 是 | 68.2 |
从表3可知，涂膜流平后在40 ~ 85 ℃的环境下进行烘干，温度越高，光泽越高，当烘烤温度在60 ~ 75 ℃时光泽变化不大，75 ~ 85 ℃时光泽变化非常明显。这是因为烘干温度升高，涂料中溶剂快速挥发，树脂快速交联成膜，导致消光粒子迁移至涂膜表面的时间变短，更多的消光粒子未来得及迁移到涂膜表面，涂膜已经干燥，导致消光效果变差。
3 结语
根据试验结果与分析，涂料使用方需严格按照施工配比进行涂料调制，将涂膜在60 ~ 75 ℃的条件下进行烘烤，干膜厚度控制在40 ~ 60 μm，稀释剂/色漆质量比在20% ~ 30%时，涂料光泽波动最小。客户在实际的涂装过程可能会与实验室施工环境有所出入，比如平流时间、作业环境的温湿度差异、烘烤温度偏差等。涂料生产商可以在客户允许的光泽误差范围内，以更小的误差范围做出厂检验，给客户留有更大的操作空间，同时，客户可以查看供应商的出厂检验报告，根据当时的涂装环境及烘烤温度等作适当调整，从而控制光泽异常的发生。
（详见《现代涂料与涂装》2019-11期）
