千斤顶用单组分水性涂料的圆盘式静电喷涂工艺

李国军，余国强，许奕祥，方 博，郭 敏（中国电器科学研究院有限公司，广州 510860）

摘要：介绍了一种应用于汽车千斤顶的单组分水性涂料的制备及其在圆盘式静电喷涂设备上使用的工艺研究。该水性单组分涂料解决了在圆盘式静电喷涂工艺下,工件带温涂装的施工性、快干性、光泽及流平性问题。通过下线快干性、外观与耐码垛性探讨了主体树脂、助溶剂、静电电压、气压、往复机升降速度、流量及膜厚对圆盘式静电喷涂流平与干燥的影响,与现在使用的溶剂型双组分PU涂料相比,涂膜性能相当,产品工艺简化,既符合国家环保要求,也满足企业水性化的工艺转变。

关键词：圆盘式静电喷涂；高光泽；流平性；耐码垛性

0 前 言
汽车用千斤顶是汽车常用配件之一，我国是汽车千斤顶最大生产国，由于千斤顶内部需要先装入液压油，然后用橡胶件密封，再在表面涂装保护装饰性涂料，因此涂膜只能使用低固化型涂料。同时，千斤顶表面涂料大多是高光泽高亮度颜色，而工件重、厚度高，传热及散热相对较慢，涂料的防流挂性、干燥性与高光泽及下线的干爽性成为水性涂料能否使用的关键技术。汽车千斤顶涂装厂大多数采用圆盘式静电喷涂工艺，常规一遍喷涂，膜厚可达50～60 μm，干燥条件为60 ℃、30 min。目前国内千斤顶生产厂家使用的仍是溶剂型PU体系，与水性单组分涂料相比，存在活化期短、VOC排放高、易燃易爆等问题。所以，汽车千斤顶涂装行业急需一套水性化的涂装工艺。
本文通过对水性单组分涂料的研究，结合圆盘式静电喷涂工艺特点，解决了圆盘式静电喷涂水性涂料厚涂易流挂的问题、水性单组分涂料高光泽高流平性问题以及产品下线快干性与耐压痕的问题，推动千斤顶行业实现水性化的喷涂工艺。
1 实验部分
1.1 实验原料
改性丙烯酸树脂：KINTE290、KINTE390，广州擎天材料科技；水性丙烯酸改性环氧酯树脂：6680，天和树脂；水性醇酸树脂：Uradil AZ3531，帝斯曼化工科技；水性丙烯酸树脂：KR112，广州仁腾化工；水性丙烯酸乳液：HG100，DOW化学；水性丙烯酸乳液：FK-71，DSM化学。防闪锈助剂：BABYO60，广州晨辉贸易。聚氨酯：PS166，广州慧宇化工。颜料与填料：炭黑或有机红、硫酸钡、硅微粉，广州雅联化工贸易。中和剂：DMEA，广州德谦化工科技。分散剂：BYK190，广州欧旗贸易。消泡剂：DEGO-810，佛山美汉贸易。润湿剂：340，天津赛菲化工科技。
1.2 实验仪器和设备
OEM兰氏欧米茄静电喷涂设备：GA-20485，联德机械有限公司；
分散砂磨机：D10/LC55-E，广州市浩美设备有限公司；
高速分散机：DS300，秦皇岛精本机械有限公司；
烘箱：DHG-9075A，广州标格达(上海一恒科学仪器有限公司)；
盐雾箱：KR-90，重庆克锐机电设备有限公司；
膜厚测试仪：QNIX4500，德国尼克斯涂层测厚仪；
附着力测试仪：BGD501/1，广州标格达(上海一恒科学仪器有限公司)；
便携式pH值计：SG2-ELK，广州托利称重设备有限公司；
多角度光泽仪：J407-1，天津市力顺贸易公司；
电动铅笔硬度计：BGD507/2，广州标格达(上海一恒科学仪器有限公司)。
1.3 千斤顶用单组分水性涂料的制备
1.3.1 水性色浆的制备
将树脂和去离子水加入搅拌桶中，然后在搅拌条件下加入分散剂、消泡剂、丙二醇，中速分散均匀后，在搅拌条件下，加入着色颜料、填料，中速分散均匀，然后转移至砂磨机研磨细度小于20 μm。流程如图1。研磨速度≥5 000 r/min，研磨时间30～40 min；浆料细度≤20 μm，色浆pH值调节在8.5～9.5。
1.3.2 单组分水性低温涂料的制备
在搅拌条件下把树脂加入到搅拌桶中，然后按照顺序加入助溶剂、防闪蚀剂、增稠剂、润湿剂、去离子水搅拌均匀，最后用三乙胺调整pH值为8.5以上。然后投入上述色浆，搅拌20 min后，用300目筛网过滤包装。参考配方见表1所示。

2 结果与讨论
2.1 主体树脂的选择对涂层干燥性、光泽及耐码垛的影响
千斤顶因含有热压油，高温情况下，密封圈易渗油，因此，固化温度不能高于70 ℃。同时，前处理经水洗、烘干后，涂装前工件表面温度约30～45 ℃，要求水性涂料经过圆盘式静电喷涂涂装后，涂料能在工件表面润湿流平，低温烘烤后，下线能够装箱码垛。目前，溶剂型通常采用双组分聚氨酯体系，其施工复杂、活化期短，如果以水性聚氨酯体系来替换，其配方成本难以被市场所接受。因此，本文针对上述问题，探讨了几种不同类型树脂对施工性、外观光泽、下线干燥性的影响，具体性能参数如表2所示。

由表2可见，氧化干燥类型的水性丙烯酸改性环氧酯和水性丙烯酸改性醇酸树脂，涂层鲜映性好，光泽高，但干燥速度慢，低温固化后，下线码垛黏纸，涂层硬度低，因此不适用于本项目产品的应用；水性丙烯酸树脂KR112，树脂黏度高，需要添加大量助溶剂，VOC含量高，因黏度过高，需要添加大量去离子水稀释，因此，涂层遮盖率差，光泽低，树脂低温过化后，摆杆硬度较高，此类型树脂适用于制备浸涂类型产品，不适用喷涂工艺；HG100和FK-71，两者属于纯丙烯酸乳液，涂层干燥速度快耐码垛性基本能够满足工艺需求，但树脂自身Tg高，成膜温度高，树脂自身光泽哑，不适合制备高光泽产品，同时，涂层表干速度快，经圆盘静电带温喷涂，涂料到达工件表面呈粉状，完全不能润湿底材；因此，本文选择以自制KINTE390为主体成膜树脂，同时考虑到乳液型树脂自身光泽偏低，且不能研磨色浆，因此，通过相容性测试及树脂配方优化，制备可研磨树脂KINTE290作为研磨介质，提升涂层鲜映性。

2.2 助溶剂的选择对圆盘式静电涂装流平及施工性的影响
圆盘式静电涂装是一种高速离心旋转的碟式涂装，转速可达到20 000～40 000 r/min，涂料经过离心力高速旋转雾化，在涂料旋转雾化到工件表面过程中，涂料中的水分、溶剂会快速挥发，因此，到达工件上的漆雾呈团状、点状，表面干燥，无法流平，必须添加适量的梯度型助溶剂改善涂料的施工雾化效果。表3是助溶剂对圆盘式静电涂装的影响。

由表3可见，由醇酯12和BCS组合的梯度型溶剂，通过亲水型与疏水型相组合，涂层经圆盘式静电喷涂涂装后，能够在工件表面润湿流平。同时，低温固化过程中，醇酯12能够包裹到乳液树脂的核壳结构中，保证成膜致密性。此外，低沸点的BCS，能够与醇酯12形成梯度，帮助醇酯12挥发，从而实现低温固化涂层下线耐码垛性。
2.3 圆盘式静电涂装电压与气压对水性涂料施工性的影响
在圆盘式静电喷涂中，由于溶剂型涂料与水性涂料产品的特性不同，对电压与气压的要求也会存在差异，在使用兰氏圆盘式静电涂装设备时，主电源输入为380 V，压缩空气要求达到0.5 MPa以上。而在喷涂过程中，溶剂型涂料电压要求为：底漆高压需要调至70～80 kV，面漆高压60～75 kV，素色漆高压75～85kV。与之相比，水性涂料则不需要那么高的电压，水性涂料底漆高压30～60 kV，面漆高压调至60～70 kV。本项目还针对两种不同类型的涂料对气压的需求进行了探讨，数据分析见表4。

由表4可见，水性涂料溶解力较差，雾化效果比溶剂型涂料差，所以需要更大的喷涂气压进行雾化。但是水性涂料导电效果更好，需要的电压比溶剂型涂料小，掌握好水性涂料施工特点，一样能达到溶剂型涂料的施工效果。
2.4 圆盘式静电涂装升降速度与流量对水性涂料的影响
为了能够得到更好的涂膜涂层，必须在喷涂中对圆盘式静电涂装设备的升降速度与涂料流量进行调整。由于千斤顶种类众多，从5 t小顶到50 t大顶，还有众多立顶、卧顶、长顶、短顶的区别，本项目通过对10 t中型立顶产品的工艺比较，分析了升降速度与流量对水性涂料与溶剂型涂料施工性能的影响，数据如表5。

由表5可见，同等流量条件下，与溶剂型涂料不同，水性涂料具有更好的流动性及挥发性更慢的特点。在升降速度18 m/min的时候，涂膜厚度太厚，会导致流挂，甚至在很厚的情况下，水分未来得及挥发而导致水性涂料直接流出工件，烘烤出来之后，产品顶部部分位置无法完全遮盖，出现露底和少油等问题。而升降速度过慢，又会产生涂料不够，表面少油橘皮现象，所以这一产品升降速度适合定在14～15 m/min。确定升降速度之后，还要对流量进行比较，以确定最终的设备参数，具体流量参数比较数据如表6。

通过表6分析，即使在确定了电压、气压、升降速度、涂料黏度的情况下，不同流量的控制，在圆盘式静电喷涂时，对水性涂料和溶剂型涂料喷涂所得到的涂装效果影响都会很大，而且不同大小工件及不同类型的产品又会有不同的区别。本项目的难度就在于，需要先确定产品配方及性能之后，还要只能到客户现场，根据不同的产品通过很多实验，才能确认适用的各种实验参数，而实验室并不能完全模拟现场施工环境及施工参数。但客户正常生产的情况下，又不可能像实验室那么自由地进行参数调整及实验变动。经过与溶剂型涂料的比较，表6实验结果最终确认了在10 t立顶产品上，单组分水性涂料在圆盘式静电涂装时，使用300 cm3/min的流量进行喷涂是比较适合的，能够得到较好的外光、光泽流平以及产品干性。
2.5 水性涂料不同厚度对圆盘式静电涂装表面效果的影响(见表7)

由于水性涂料雾化效果差，水分挥发比溶剂慢，但流动性又比较好，为适应圆盘式静电涂装的施工工艺，以及满足产品涂膜外观流平光泽要求，因此，对涂料厚度的控制非常重要。由表7可以发现，如果喷涂厚度较薄，产品干性和附着力会很好，但涂膜流平性差会直接影响涂料外光及光泽；如果涂膜太厚，又会导致涂料流挂，表面水分挥发不完全产生溶剂孔，还会直接影响产品表面干性，影响产品下线包装及后期附着力。所以，为了保证良好的外观和涂膜性能，涂料厚度需要控制在50～60 μm。
2.6 性能测试
千斤顶用单组分水性涂料涂膜主要性能如表8所示。

由表8可见，本项目制备的单组分水性涂料产品其综合性能达到溶剂型聚氨酯涂料产品性能指标，VOC含量低，无毒环保，符合企业安全生产的需求。
3 结 语
本文讨论了水性涂料在圆盘式静电涂装的涂装工艺与溶剂型涂料的区别，寻找适合水性涂料涂装的圆盘式静电涂装工艺，用自制的改性丙烯酸树脂制备一种可应用于千斤顶涂装的单组分水性防护涂料。该产品低温固化，涂层光泽高、流平佳，适用于现有溶剂型涂装线的施工条件，节能环境友好，满足企业安全生产的需求；涂膜具有良好的圆盘式静电涂装施工性，高光泽高流平性，以及优异的下线的干爽性和理化性能，有效解决汽车千斤顶圆盘式静电涂装模式，产品综合性能达到溶剂型聚氨酯涂料性能指标。该产品的开发有利于传统的汽车千斤顶涂装行业向环保化方向发展。