新型光穩定劑應用于水性環氧涂料的研究

　　摘要:水性環氧涂料已發展成為解決一般常用傳統高VOC溶劑型涂料的高污染問題，它具有有效減少或不使用溶劑的優點，而環保型涂料所遭遇的挑戰之一是需要光穩定劑來保護涂料預防光降解產生。針對水性環氧涂料開發了一種新型復配型光穩定劑EVERSORBEP5，應用實驗設計DOE研究結果表明:3種不同類型光穩定劑添加至2種不同類型溶液－水和水性環氧涂料中進行分散過濾試驗，EVERSORBEP5分散效果最好，人工加速老化試驗結果顯示:增加EVERSORBEP5在水性涂料中的有效濃度，可以增強相對的保護效果，增加涂料的膜厚無法得到某種程度的保護效果。

　　關鍵詞:環氧樹脂;水性環氧涂料;光穩定劑;實驗設計;耐候性

　　中圖分類號:TQ630.4+96 文獻標識碼:A 文章編號:0253－4312201208－0043－04

　　環氧樹脂因具有附著力強、優異機械性能和抗滲透等功能，而普遍應用于工業涂料［1］。但環氧樹脂也具有明顯的缺點:當其暴露在室內光線或自然太陽光時，顏色容易變化，這是因為當環氧樹脂受到UV光長期照射時，其結構在含氧的環境下很容易斷鍵降解，產生發色機團［2］如圖1所示，而導致樹脂變色、褪色。在環氧樹脂材料中添加光穩定劑，可以有效地減少變色、褪色、龜裂、粉化和光澤保持率下降等問題。

圖1 環氧樹脂光降解途徑

　　隨著人類對環境保護日益重視，環氧樹脂的水性化是發展趨勢和國內外研究的熱點［3－9］。適用期短是水性環氧體系的主要缺點，當超過試用期時，涂料性能會改變很大，因此，延長其適用期有很重要的價值［10］，新型非離子型水性環氧固化劑可以提高其適用期［11］，但涂裝后延長涂層使用壽命需要使用光穩定劑，預防光降解的產生。

　　光穩定劑包括紫外線吸收劑UVA和受阻胺光穩定劑HALS，紫外線吸收劑的功能是吸收紫外線轉換成熱能散發掉;受阻胺光穩定劑的功能是捕捉自由基，防止降解發生。

　　目前，關于如何解決水性環氧涂料光降解的研究很少，因此本研究將不同類型光穩定劑于不同類型溶液中進行分散過濾試驗，最后篩選出最佳產品進行人工加速老化試驗，以了解并有效地改善水性環氧涂層的耐久性。

　　1·實驗

　　1.1實驗原料

　　水性環氧樹脂POLYPOXE403、水性環氧固化劑POLYPOXIH7005W:工業級，陶氏化學工業股份有限公司;水性環氧光穩定劑EVERSORBEP5:工業級，臺灣永光化學工業股份有限公司;光穩定劑EP－A、EP－B:有機高分子，自制。

　　1.2實驗設備

　　水流抽氣機:廠牌EYELA/型號A－3S;濾紙:廠牌ADVANTEC/型號2#;耐黃變試驗機:廠牌QPanel/型號QUV/Basic;色差儀:廠牌MINOLTA/型號CM－3500d。

　　1.3實驗方法

　　1.3.1分散過濾試驗

　　1以水為溶劑混合不同類型光穩定劑稱取10g不同類型光穩定劑，加入100g去離子水中，混合攪拌5min后，將溶液倒入含2#濾紙的水流抽器機抽濾后，于60℃烘干后稱質量，計算其在濾紙上的殘留率R，光穩定劑如表1所示。

表1 不同類型光穩定劑

　　2以水性環氧涂料為溶劑混合不同類型光穩定劑稱取10g不同類型光穩定劑見表1，加入100g水性環氧涂料中，混合攪拌5min，再將溶液倒入含2#濾紙的水流抽器機抽濾后，在60℃烘干后稱質量，計算其在濾紙上的殘留率R。

　　1.3.2人工加速老化試驗前配方的配置

　　稱取不同量水性光穩定劑EVERSORBEP5，混合水性環氧固化劑POLYPOXIH7005W和水，攪拌5min后再混合水性環氧樹脂POLYPOXE403。

　　1.4檢驗方法

　　1.4.1試材涂裝

　　將配置好的含不同濃度EVERSORBEP5的水性環氧涂料噴涂至10cm×7cm×0.1cm鐵制試片，室溫干燥2h。

　　1.4.2人工加速老化試驗

　　按ASTMG154—12006年改版，340nm，60℃，8hUV光照/50℃，4h凝結，利用色差儀觀察加速老化試驗過程變化。

　　2·結果與討論

　　2.1在水和水性環氧涂料中分散效果最好的光穩定劑的篩選

　　本研究是利用實驗設計測試參數并分析其結果，且更重要的是利用其中的“篩選設計”找出哪一類光穩定劑分散最好的關鍵因子。篩選實驗計劃如表2所示。

表2 不同類型光穩定劑篩選實驗結果

　　表2的實驗數據分析結果如表3和表4所示。

表3 參數估計表

表4 變異數分析

　　不同類型光穩定劑對不同類型溶液分散結果如圖2所示。橫坐標分別為x1和x2。主效應圖說明:根據表2真實的實驗結果利用統計軟件JMPVERSION5.0分析繪制圖2主效應圖回歸模型理論的趨勢結果，如果圖2跟表2愈相近，表示所找到的［回歸模型理論］愈能解釋真實結果，主效應圖，不但能說明最佳、最差組合，還能看出影響度斜率及預測值。

圖2 不同類型光穩定劑于水分散液中的分散結果

　　x1表示使用不同類型光穩定劑EP－5、EP－A和EP－B，x2表示不同溶液體系環氧和水，縱軸表示經分散過濾后濾紙上殘留率R，值越小，代表分散效果越好，值愈大，代表分散效果越差。

　　由圖2試驗結果可以發現，EP－5殘留率最少為2.25%，分散效果最佳，EP－A和EP－B分散過濾后殘留物較多，分散效果不佳。圖3為實際水溶液過濾測試照片。

圖3 不同類型光穩定劑于水溶液分散結果測試照片

　　不同類型光穩定劑于水性環氧涂料分散殘留率比較見圖4。

圖4 不同類型光穩定劑于水性環氧涂料分散殘留率比較

　　由圖4試驗結果可以發現，EP－5殘留率最少為8%，分散效果最佳，EP－A和EP－B分散過濾后殘留物最多，分散效果不佳。圖5為實際水性環氧涂料過濾測試照片。

圖5 不同類型光穩定劑于水性環氧涂料中分散結果測試照片

　　2.2最優化探討

　　根據表2實驗結果，將篩選出的最佳水性光穩定劑EP－5，添加于水性環氧樹脂中，在不同濃度和不同涂膜厚度下進行最優化探討，實驗結果如表5所示。

表5 最優化實驗結果

　　表5的實驗數據分析結果如表6和表7所示。

表6 參數估計表截距項

表7 變異數分析

　不同濃度水性光穩定劑EP5與水性環氧樹脂混合后，噴涂不同厚度涂膜至鐵片上，經耐候測試110h結果如圖6所示。

圖6 不同濃度EP-5和不同厚度涂膜老化性能比較

　　由圖6試驗結果可以發現，當涂裝添加3%EP－5水性光穩定劑的水性環氧涂料，膜厚為20μm時，可以得到最低黃變值，耐候效果最好。相對于增加EP－5的有效濃度，增加涂料的膜厚不是一種最佳的選擇。圖7為實際水性環氧涂料耐候測試照片。

圖7 水性環氧涂料添加光穩定劑3%EP-5耐候測試110H照片

　　3·結語

　　1混合好溶液經濾紙過濾后殘留率越低，分散效果越好，EP－5于水中或環氧水性樹脂中分散性最好;EP－A和EP－B于水中或環氧水性樹脂中分散性不佳，殘留物很多。

　　2EP－5可以提升水性環氧樹脂耐候性，提高光穩定劑的用量，可以增強耐候性。

　　3膜厚對黃變影響不顯著，增加涂料的膜厚無法得到某種程度的保護效果。

來源：中國涂料助劑網

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