像被车灯照到的光泽| 21-02-15 | PCI杂志

2018年12月11日，美国汽车协会(AAA)透露，浑浊或发黄的大灯(图1)只产生新大灯的20%的亮度，导致危险的夜间驾驶条件。这是由于阳光对保护塑料涂层的破坏，导致变色，大大降低了大灯在黑暗的道路上提供足够光线的能力。由于50%的车祸发生在晚上，美国汽车协会敦促司机检查他们的大灯恶化的迹象，并投资购买新的大灯，或至少提供低成本的服务，以提高天黑后驾驶的安全性。

聚碳酸酯(PC)具有高抗冲击、低密度、高热稳定性、优异的光学性能等优点，是一种重要的透明材料。因此，PC从光盘、眼镜等小型光学产品，到飞机舱盖、汽车玻璃等大型透明产品，都得到了广泛的应用。但PC硬度低，耐磨性差，耐紫外线和耐溶剂性差，极大地限制了其应用。¹图2为聚碳酸酯的简化化学结构。

报道了用溶胶-凝胶法在PC基板上制备耐磨涂层的方法。^{2 - 4}但由于表面预处理和长期稳定性的原因，溶胶-凝胶产品在实际应用中并不实用。聚氨酯分散体(pud)由于其高的表面硬度和优良的柔韧性，可以成为很好的替代品。⁵此外，聚氨酯已经证明了其在木材或塑料基材上提供持久性能的能力，在这些地方需要有清晰的表面处理，以满足美学要求。PC基材上的涂层要求具有耐磨性、划痕性和耐磨性，以及优异的耐化学性。在聚氨酯透明涂料中加入氧化铝或二氧化硅纳米颗粒可以改善机械性能，特别是抗划伤性能。^6、7受阻胺光稳定剂(HALS)在水性制剂的光稳定中起着重要作用。由于在PUD配方中加入HALS后，pH和粘度会发生变化，导致稳定性问题，因此将研究使用优化的HALS和紫外线吸收包。添加剂的选择，如纳米粒子分散剂，聚合溶剂，表面润湿剂，消泡剂，UV稳定剂和流变改性剂，都将影响PUD PC涂料的性能。本文还讨论了如何利用阀包技术将PC涂料直接输送到汽车大灯罩上。

实验

材料

UV稳定剂Tinuvin 123 DW (N) (HALS)， Tinuvin 5333 DW (N)， Tinuvin 292 (HALS)和Tinuvin 1130 (UVA-BZT)从巴斯夫获得。everorb 93 (HALS)和everorb 80 (UVA)由Everlight化工公司提供。Chiguard 5228(纳米级水性紫外吸收剂)样品来自Chitec Technology。纳米zno分散体和纳米二氧化硅分散体购自BYK。超细TiO₂2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)来自安格斯化学公司。ACEMATT TS 100从赢创收到。SABIC(沙特基础工业公司)LEXAN板材产品由Extech外观技术公司提供。2022世界杯八强水位分析PC薄板在没有任何预处理的情况下进行测试。二手汽车大灯从DFW汽车救助处购买。测试前用肥皂和水清洗汽车大灯罩表面。该产品来自皇冠的一罐，与眼镜蛇塑料和BOV/驱动器从顶峰包装系统的盖子。

在PC基材上配制低voc 1K水性聚氨酯涂料

PC用涂料通常需要几种服务性能。通常，PC涂层必须有足够的表面硬度，非常好的耐化学和紫外线，以及优异的耐久性和耐划伤性，以在其使用时间内保持最佳外观。对于树脂粘合剂的选择，我们对几种市面上的自交联pud在SABIC LEXAN板材上的附着力进行了评估，以确定哪一种具有最大的附着力、成膜性和光泽性能。其中一个抗拉强度为4800 psi的自交联pud是一个不错的选择。用差示扫描量热法(DSC)测定了该自交联PUD的熔点分布，如图3所示。熔化发生在116°C。玻璃化转变温度(Tg)应低于零或接近零。然后将得到的自交联PUD配制成1K PUD PC透明涂层，如表1所示。为了优异的消光效率和最高的透明度，未处理的二氧化硅包括在这个配方中。1K PUD PC透明涂层的一些典型物理性能如表2所示。

1K PUD.s熔炼的DCS曲线 — **图3:**1K PUD熔炼的DCS曲线。

**表1:**低voc 1K PUD PC涂料配方。对于哑光完成，未经处理的二氧化硅包括在这个公式。

兼容性测试

在SABIC全球研发实验室，对涂覆在SABIC LEXAN板材产品上的透明漆和哑光漆进行了兼容性测试。结果表明，在室温或1700和2000 psi的应力水平下(158°F)，涂层没有观察到化学腐蚀。当在类似于这些测试中使用的条件下与被测试的SABIC LEXAN板材产品接触时，该测试提供了该组件的一般性能指示。

低voc 1K PUD配方和BOV喷雾剂的可燃性

采用燃烧热、闪点、火焰延伸和自动点火等方法测定了低voc 1K PUD配方和BOV喷雾剂的可燃性。结果如表3所示，表明这种低voc的1K PUD PC透明涂料是不易燃的。

结果与讨论

低voc 1K PUD PC涂层稳定性

无机光稳定剂氧化锌(ZnO)纳米颗粒在形成透明薄膜、耐候性和抗划伤性能方面具有优异的PC涂层性能。而纳米zno的加入可以加速自交联PUD配方在几天内形成凝胶产物。有机受阻胺光稳定剂(HALS)在水性涂料(如pud)的光稳定中起着重要作用。在一定溶剂和溶剂量较低的情况下，pud容易凝固或沉积。当pH值低于8时，pud在热老化过程中开始凝固。这可能是由于基本的HALS和pud之间的相互作用。如果pud是酸性的，它们的活性就会降低。可以使用沸点较高的AMP，使pH值在40°C时稳定在8.5左右。然而，在自交联PUD配方中加入AMP仍能形成凝胶。这可能是由于在热氧化后形成过氧化氢和再生过氧化氢的胺类化合物，⁸这可能导致自交联PUD凝胶的形成。无溶剂，非碱性氨基醚(NOR) HALS，如Tinuvin 123-DW (N)或UVA/HALS混合物，如Tinuvin 5333 DW (N)也进行了测试。研究表明，纳米tio的加入₂可以提高PC基板上涂层的硬度和耐刮性等机械性能。^{9 - 11}加入1.5%浓度的纳米tio₂水性清漆在暴露于自然和加速风化的木材上显示出较少的颜色变化。¹²纳米tio的粒径分布₂在这个配方中使用的色散可以在图4中看到。表4显示了不同紫外线防护包装对低voc 1K PUD配方稳定性的影响。根据pH变化、粘度和凝胶形成的监测结果，该配方中的紫外线防护包含有纳米tio₂与光稳定剂HALS和UVA结合使用。本防晒产品的总浓度约为配方总重量的0.7%。光稳定剂在加入到配方之前需要溶解在共溶剂中。

**图4:**说明纳米tio2粒径分布体积(%)与粒径级别(μm)。Dv(50) = 0.0607 μm。

纳米二氧化硅分散体的加入

为了保护PC基板因划伤和磨损而产生的光泽，表面处理的二氧化硅纳米粒子分散体包括在该配方中。纳米二氧化硅分散体在不牺牲透明度和附着力的情况下表现出很高的抗划痕和耐磨性。图5显示了该1K PUD配方中使用的纳米二氧化硅分散体的粒径分布。

**图5:**说明纳米二氧化硅粒径分布体积(%)与粒径类别(μm)。Dv(50) = 0.0593 μm。

佛罗里达州户外暴露试验

根据ASTM G7非金属材料大气环境暴露试验标准规程，对其颜色变化、光泽损失、垩白、耐污性和霉菌性进行了测试。表5和图6-7显示了在SABIC LEXAN板上涂层1K PUD透明涂层和哑光表面的佛罗里达曝光结果。涂布在汽车大灯上的1K PUD透明涂层的佛罗里达曝光结果见表6和图8。纳米tio的使用₂以取代部分UVA和HALS可减少测试板在佛罗里达暴露后的热变黄。胺类如HALS的氧化与膜中的黄变有关。⁸

**图6:**1K PUD PC清漆涂在SABIC LEXAN板材上，经过18个月的佛罗里达户外暴露。

**图7:**1K PUD PC哑光涂层在SABIC LEXAN板材上，经过18个月的佛罗里达户外暴露。

**图8:**佛罗里达州户外暴露测试现场的汽车大灯上的1K PUD PC透明涂层。

**表5:**1K PUD PC涂层在SABIC LEXAN板材上经过18个月佛罗里达户外暴露的结果。

**表6:**汽车大灯上1K PUD PC透明涂层在佛罗里达户外暴露1年后的结果。

汽车大灯性能试验

在喷涂1K PUD PC透明涂层之前，先用肥皂和水清洗混浊的汽车大灯灯，然后打磨表面以去除紫外线的损伤。表7显示了涂层汽车大灯的物理性能和耐化学性的结果。这款低气味配方只包含2%的溶剂，并提供快速干燥时间，以充分光泽发展。由于在深色衬底上没有水点，所以观察到良好的防水性能。即使在被雨水淋湿了好几个小时之后，雨水也没有穿透涂层而使其变白。

低voc 1K PUD PC透明喷涂:BOV技术

如果将配制好的产品直接应用于汽车大灯的表面，那么与表面的附着力当然是一个关键的特性。BOV气溶胶系统用于将产品输送到汽车大灯表面，不会因为碳氢化合物推进剂而产生气泡或运行。BOV气溶胶系统是一个屏障包，保护产品免受推进剂的伤害，并消除产品与推进剂之间的不相容性，如图9所示。因此，它有助于延长货架寿命和改善终端用户体验。BOV技术作为一种包装解决方案，最大限度地减少了产品浪费和污染，有助于确保完全物有所值。压缩空气被用在袋子后面。图10显示BOV气溶胶平均雾滴粒径为76微米。饱和时的给药速率为0.6 g/s。空时袋子后面的压力为45 psig。用这种BOV涂层喷涂的1k PUD涂层在汽车大灯盖上的涂层如图11所示。

**图10:**说明这种BOV气溶胶喷雾的累积粒径分布和相应体积函数。液滴的平均粒径为76微米。

**图11:**汽车大灯罩采用BOV气溶胶涂层喷涂1K PUD PC透明涂层的图片。

结论

这种新型的低voc自交联聚氨酯分散技术可配制为PC基材或汽车大灯罩的透明涂层，具有抗紫外线和抗划伤性能。
相容性测试结果表明，在室温或1700和2000 psi的应力水平下(158°F)，涂层没有发生化学腐蚀。
由于PUD配方中的溶剂量低，紫外线防护包装的选择会影响涂层的稳定性。使用适量的有机光稳定剂和纳米tio的组合₂可在40°C的储存条件下实现产品的稳定性达5个月。纳米tio的使用₂还能减少由HALS胺氧化引起的清漆黄变。
在系统中加入纳米二氧化硅可以保护光滑、含水和无色素的透明漆，防止划伤和磨损。
采用BOV技术作为包装解决方案，可以消除产品与推进剂之间的不相容性，延长产品的货架期。
目前的不燃自交联水性聚氨酯配方具有优良的耐化学性和防水性能。

确认

作者要感谢巴斯夫的Aditi Chavannavar博士在讨论PUD配方中使用的光稳定剂时给予的帮助。

参考文献

¹Fabbri p;Messori m;Toselli m;韦罗内西,p;罗查,j .;用聚(环氧乙烷)-二氧化硅复合涂层增强聚碳酸酯的耐刮性。放置变异较大。抛光工艺．27 (2008) 117 - 126。

²陈,Y.H.;刘,L.X.;聚碳酸酯耐磨涂料的制备与表征。j .外套。抛光工艺．Res。10 (2012) 79 - 86。

^3.Lionti k;Toury b;Boissiere c;贝纳永、美国;聚碳酸酯上的杂化二氧化硅涂层:增强性能。溶胶-凝胶科学技术．65 (2013) 52-60。

⁴聚合物基材上的透明硬质自清洁纳米复合涂层。有机涂料的研究进展128 (2019) 120 - 126。

5水性聚氨酯的研究进展j . Disper。科学。抛光工艺．,2018， 39(4)， 507-516。

6 . M.M.贾利利;Moradian,美国;陈,h;Dastmalchian h;通过亲水性和疏水性纳米二氧化硅的单独掺入研究2包聚氨酯透明涂层的性能变化。有机涂料的研究进展59 (2007) 81 - 87。

7克拉克，M.;Paiz, a;Brickweg l;Floryancic b;氧化铝和二氧化硅纳米颗粒对聚氨酯透明涂层性能的影响。“纳米技术在涂料中的应用”第11章，ACS研讨会系列第1008号(由R. H. Fernando和L. Sung编辑)，美国化学学会(2009)210-231。

8坎贝尔，D.H.;韦德,c;特里K.M.;汽车面漆的热黄和光漂白。j .外套。抛光工艺。Res。15 (2018) 131 - 139。

9雅古比;Taghavinia:;e .阿拉姆达里自洁₂聚碳酸酯涂层:表面处理，光催化和纳米力学性能。表面和涂层技术204 (2010) 1562 - 1568。