胡小锋，邱旭炜，严浩安，刘宝丰，刘高锋
（佛山市高明同德化工有限公司，广东佛山）
摘要：随着国家对环境保护的监管力度日益加大，工程机械涂料的水性化也是迫在眉睫，本文主要是从水性双组份环氧树脂的筛选，面漆的水性羟基丙烯酸树脂的筛选，以及水性工程机械涂料的配方设计方面进行了探讨，以解决目前水性工程机械涂料在实际施工过程中常见的几个问题，例如湿碰湿涂装失光问题，流挂问题，爆泡问题等等。
关键词：工程机械，水性，湿碰湿，咬底，流挂极限，爆泡极限，耐盐雾
1 、引言
近年来，我国工程机械制造业得到了迅猛发展，由于工程机械产品大多数外型尺寸庞大，因此涂料的需求量大，一台挖掘机平均涂料的使用量达到50kg。因此，工程机械用涂料市场前景十分广阔。为了提高产品竞争力，工程机械制造商不再仅局限于产品内部质量和性能，获得防腐性能和外观质量好的涂层，同时工程机械涂装正朝着节能、环境友好型、低碳涂装技术应用趋势发展，如水性涂料、高固体分涂料、粉末涂料等。但由于工程机械的结构件复杂，目前粉末涂料很难应用，因此高固体分和水性涂料成为首选。高固体分涂料仍存在大量的有毒溶剂，因此工程机械涂料水性化，对整个涂料行业有着重大意义。水性涂料喷涂工艺在汽车零部件涂装生产中已有应用，这些技术的积累为工程机械中应用水性漆的涂装工艺提供了技术指导。当然，水性涂料也有其自身弱点，如:对工件表面的前处理要求严格；干燥过程需严格控制温湿度；需使用不锈钢设备；跟溶剂型涂料项目比生产效率也是一个明显的弊端。本文主要讨论工程机械水性双组分环氧底漆和水性双组分聚氨酯面漆在工程机械中的涂装应用情况。
1.1 工程机械涂装要求
典型的工程机械涂装的质量要求见表1。
表1.工程机械涂装漆膜性能要求[1]
|
序号 |
检测项目 |
技术指标 |
检验方法 |
|
1 |
漆膜外观 |
平整光滑 |
目测 |
|
2 |
总膜厚（底漆加面漆） |
80-120μm |
膜厚仪 |
|
3 |
光泽（60°） |
≥85 |
GB/T 9754-2007 |
|
4 |
铅笔硬度（三菱） |
≥H |
GB/T 6739-2006 |
|
5 |
附着力（2mm） |
0-1级 |
GB/T 9286-1998 |
|
6 |
耐水性 |
40℃水中240小时，漆膜不起泡，允许轻微变色、失光 |
GB/T 1733-1985 |
|
7 |
耐酸性（0.1mol/L） |
漆膜不起泡，不起皱,允许轻微失光、变色, 再做附着力0/1级 |
GB/T 1763 |
|
8 |
耐碱性（0.1mol/L） |
漆膜不起泡，不起皱,允许轻微失光、变色, 再做附着力0/1级 |
GB/T 1763 |
|
9 |
人工加速老化实验 |
氙灯 2000小时 失光率≤30% 无明显变色:△E≤3.0 |
GB/T 1865-1997 |
|
10 |
耐盐雾 |
复合涂层要求1000h，延叉锈蚀不超过2mm |
GB 1765 |
水性工程机械涂装的要求基本就是照搬溶剂型的漆膜性能要求，但是施工工艺方面不能完全按照目前现有的溶剂型的施工方式施工，需要调整。例如底漆施工完毕之后需要进行烘烤除水过程，然后再上面漆，否则容易出现面漆咬底，导致面漆失光；面漆喷涂环境最好能够控制一定的温湿度，以防止施工流挂和漆膜爆泡。但是这些温湿度控制和烘烤条件在一些大的工程机械制备厂能够提供，但是对于一些小的工程机械制备厂商是无法满足要求的，这就对水性工程机械涂料提出了很大的要求。因此本文将从配方调整的角度对应这些不可控的因素进行逐一探讨。
2 、实验部分
2.1实验原材料以及仪器设备
主要原材料和仪器设备见表2，表3和表4。
表2.水性双组份环氧底漆实验原材料
|
名称 |
型号或规格 |
厂家 |
|
水性环氧树脂 |
3EE101W |
同德化工 |
|
水性环氧树脂 |
3EE102W |
同德化工 |
|
水性环氧固化剂 |
3EC151W |
同德化工 |
|
水性环氧固化剂 |
3EC153W |
同德化工 |
|
水性环氧固化剂 |
3EC155W |
同德化工 |
|
分散剂 |
VXW 6208-60 |
湛新 |
|
消泡剂 |
Foamex 810 |
赢创 |
|
消泡剂 |
BYK 028 |
BYK |
|
钛白粉 |
R 902 |
杜邦 |
|
三聚磷酸铝 |
APW- II |
广西新晶科技 |
|
硫酸钡 |
1250目
|
上海力伟德 |
|
磷酸锌 |
磷酸锌
|
广西新晶科技 |
|
防闪锈剂 |
Synthron CE 660B
|
法国先创 |
|
底材润湿剂 |
Wet 4100 |
德国赢创 |
|
溶剂 |
PM |
陶氏 |
|
水 |
自制 |
表3.水性双组份面漆实验原材料
|
名称 |
型号或规格 |
厂家 |
|
水性羟基丙烯酸 |
3AH0519W |
同德化工 |
|
水性环氧固化剂 |
3AH0599W |
同德化工 |
|
亲水性异氰酸酯固化剂 |
3UC70B |
同德化工 |
|
憎水性异氰酸酯固化剂 |
固化剂A |
同德化工 |
|
分散剂 |
VXW 6208-60 |
湛新 |
|
消泡剂 |
BYK 028 |
BYK |
|
钛白粉 |
R 902 |
杜邦 |
|
溶剂 |
DPM |
陶氏 |
|
溶剂 |
BCS |
国产 |
|
底材润湿剂 |
Twin 4100 |
赢创 |
|
底材润湿剂 |
D 607 |
空气化学 |
|
水 |
自制 |
表 4.主要仪器设备
|
设备名称 |
型号规格 |
生产厂家 |
|
PH计（上海雷磁） |
PHS-25 |
上海雷磁 |
|
尼克斯测厚仪 |
QuaNix4500 |
上海现代 |
|
多用分散机 |
SFJ400 |
常州市英智机械 |
|
电子天平 |
JJ5000Y |
常熟市双杰测试仪器厂 |
|
恒温水浴锅 |
HH-4 |
顺德华能化工 |
|
烘箱 |
FD115 |
宾格 |
|
喷枪 |
W-101 1.3口径 |
岩田 |
|
光泽仪 |
MG268-F2 |
科仕佳 |
|
摆杆硬度计 |
5861 |
BYK |
|
Q-SUN |
XC-3-HS |
美国Q-Lab |
|
Q-FOG |
CCT1100 |
美国Q-Lab |
2.2 水性双组份底漆和水性双组份的制备
2.2.1双组份底漆参考配方见表5。
表5.双组份环氧底漆参考配方
|
名称 |
质量百分比 |
|
A组分 |
|
|
去离子水 |
5-10 |
|
VXW 6208-60分散剂 |
0-1 |
|
Foamex 810消泡剂 |
0-0.3 |
|
MA100炭黑 |
0-0.1 |
|
R 902钛白粉 |
20-30 |
|
APW- II三聚磷酸铝 |
5-10 |
|
磷酸锌 |
5-10 |
|
以上浆料混合均匀后研磨至30μm以下，然后补加以下材料 |
|
|
Synthron CE 660B闪锈剂 |
0-0.5 |
|
Twin 4100底材润湿剂 |
0-0.2 |
|
3EE101W |
0-50 |
|
3EE102W |
0-50 |
|
3EC155W |
0-50 |
|
B组分 |
|
|
3EC151W |
0-10 |
|
3EC153W |
0-10 |
|
3EE101W |
0-10 |
|
PM溶剂 |
0-10 |
底漆配方中，PVC=30%，活拨氢摩尔数/环氧基团摩尔数=0.75。[2][3][4]
2.2.1双组份面漆参考配方见表6。
表6.双组分面漆参考配方
|
名称 |
质量百分比 |
|
A组分 |
|
|
3AH0519W |
0-20 |
|
3AH0599W |
0-20 |
|
R902钛白粉 |
20-25 |
|
VXW 6208-60 分散剂 |
0-1 |
|
BYK 028消泡剂 |
0.1-0.3 |
|
DIW去离子水 |
0-10 |
|
研磨至10μm以下 |
|
|
3AH0519W |
0-60 |
|
3AH0599W |
0-60 |
|
Twin 4100 |
0.1-0.5 |
|
D 607 |
0-0.5 |
|
BCS |
0-5 |
|
DPM |
0-5 |
|
B组分 |
|
|
3UC70B |
0-10 |
|
固化剂A |
0-10 |
|
PGDA溶剂 |
0-5 |
面漆配方中的颜基比P/B（含固化剂）=0.7，NCO/OH=1.5。[5][6]
2.3 水性工程机械涂料的涂装工艺
首先每个公司的涂装工艺是不同的，有的公司会有比较好的烘烤线，基本上就不需要进行整改就能够实现“油转水”的过程，而且这些公司的底材处理比较好，水性化涂装也只是一个价格和效率的问题。例如三一重工在昆山的公司“油转水”是比较成功的。但是也有一些公司的施工条件比较差，例如，没有烘烤线，喷涂底漆之后喷涂面漆的间隔时间短，底材缺陷比较多，刮腻子较多。
目前工程机械涂装的工艺如下：工件底材---抛丸处理---清理---脱脂处理---水洗---吹干---水份烘干---喷涂双组份水性环氧底漆---流平---闪干---（底漆烘干）---（刮腻子）---打磨---“湿碰湿”2道水性面漆---流平---（烘干）[7]其中括号中的工艺有的公司是没有的，例如一些改装车的施工现场，由于工件比较大，不可能有任何的烘烤设备的，而且有的局部腻子特别厚。
本文检测的这套体系的主要是施工配套性，最终复涂层的外观和整体性能。最后的复合涂层，有的是80℃烘烤30min之后，放置7天，然后再进行全性能检测；也有的是自干放置10天以上检测全性能。工程机械涂料的全性能产品基本检测指标如下表7。
表7.工程机械涂料配套漆膜的性能检测指标
|
序号 |
检测项目 |
技术指标 |
检验方法 |
|
|
水性双组份环氧底漆 |
水性双组份丙烯酸面漆 |
|||
|
1 |
容器中的状态 |
均一、无异物 |
均一、无异物 |
目测 |
|
2 |
粘度s |
≥60 |
≥50 |
涂-4杯/23℃ |
|
3 |
原漆固体份% |
≥70（浅灰） |
≥50（白色） |
GB/T 6751-86 |
|
4 |
稀释率(参考值) |
5～10% |
5～15% |
/ |
|
5 |
贮存稳定性 |
(23℃×6个月) |
(23℃×6个月) |
GB/T 6753 |
|
6 |
漆膜厚度(μm) |
50-60 |
40～60 |
/ |
|
7 |
标准烘烤条件 |
80℃×30min |
/ |
|
|
8 |
漆膜外观 |
平整光滑,无凹陷 |
目测 |
|
|
9 |
60°光泽 |
≥85 |
GB/T 9754-2007 |
|
|
10 |
铅笔硬度（三菱） |
≥H |
GB/T 6739-2006 |
|
|
11 |
冲击强度 |
≥30 |
GB/T 1732-1993 |
|
|
12 |
附着力（2mm） |
0-1级 |
GB/T 9286-1998 |
|
|
13 |
耐水性 |
40℃水中240小时，漆膜不起泡，允许轻微变色、失光 |
GB/T 1733-1985 |
|
|
14 |
耐酸性（0.1mol/L） |
漆膜不起泡，不起皱,允许轻微失光、变色 |
GB/T 1763 |
|
|
15 |
耐碱性（0.1mol/L） |
漆膜不起泡，不起皱,允许轻微失光、变色 |
GB/T 1763 |
|
|
16 |
加速老化实验 |
氙灯 2000小时 失光率≤30% 无明显变色:△E≤3.0 |
GB/T 1865-1997 |
|
|
17 |
耐盐雾 |
复合涂层要求1000h，延叉锈蚀不超过2mm |
GB 1765 |
|
3、分析与讨论
3.1环氧底漆的三套体系的分析
一般来讲环氧底漆的性能要求有四个重点和难点，耐盐雾性能，耐腻子咬底性，与面漆湿碰湿配套性，以及成本价格。以下将根据这四点进行详细分析。这里设计了三套方案，各自特点与说明见表8。
表8. 三个双组份环氧以及配套固化剂的说明
|
方案一 |
方案二 |
方案三 |
|
|
环氧树脂 |
3EE101W |
3EE102W |
3EE101W |
|
环氧树脂特点 |
干燥速度快，耐化学品性能好，硬度高 |
盐雾性能好，硬度低 |
干燥速度快，耐化学品性能好，硬度高 |
|
固化剂 |
3EC151W |
3EC153W |
3EC155W |
|
固化剂类型 |
改性胺加成物 |
改性聚酰胺 |
丙烯酸改性胺加成物 |
|
固化剂特点 |
耐水性优异， 反应速度快，硬度增长快 |
反应速度慢，盐雾好 |
干燥速度快，性价比高 |
以上三套方案侧重点都不同，其中单独水性双组份环氧底漆的性能比较见表9。其中底材：冷轧钢板；膜厚：50-60μm；干燥条件：室温自干7天，T=25℃，RH=50%。单层性能见表9。
表9. 单涂层双组份环氧底漆的性能比较
|
方案一 |
方案二 |
方案三 |
|
|
表干时间 |
不大于30min |
不大于40min |
不大于20min |
|
自干7天后铅笔硬度 |
H |
B |
H |
|
单独底漆的中性盐雾时间 |
约200h |
不小于1000h |
约200h |
|
耐腻子性能 |
OK |
不耐腻子 |
不耐腻子 |
|
底漆表干之后，湿碰湿配套面漆后的光泽/20° |
82 |
70 |
82 |
|
底漆烘干之后，湿碰干配套面漆后光泽/20° |
83 |
82 |
82 |
|
材料成本 |
18-22元/公斤 |
18-22元/公斤 |
10-14元/公斤 |
3.2 水性双组份面漆体系的分析
水性双组份丙烯酸聚氨酯面漆在工程机械上使用的重点和难点有以下四点，光泽，爆泡极限，活化期以及价格成本。本文重点根据这四点进行详细分析。由于不同的工程机械客户要求不一样，因此这里列出了三个方案，读者可以根据这三个方案进行调整，以满足客户需求。
表10. 三个双组份羟基丙烯酸以及配套固化剂的说明
|
方案一 |
方案二 |
方案三 |
|
|
羟基丙烯酸 |
3AH0519W |
3AH0519W |
3AH0599W |
|
羟值 |
129 |
129 |
80 |
|
固化剂 |
3UC70B |
固化剂A |
3UC70B+固化剂A |
|
固化剂类型 |
磺酸盐改性亲水性HDI固化剂 |
低粘度的HDI三聚体固化剂 |
方案一和方案二固化剂的混合版本 |
|
固化剂特点 |
光泽高，相容性特别好，价格相对昂贵 |
相容性差，憎水性强，耐性好，防爆泡性能好，价格相对低廉 |
价格适中，防爆泡性能较好和相容性较好 |
以上三套方案侧重点都不同，按照这三个方案，在不同的干燥条件下，性能检测结果见表11和表12。
表11. 三个方案面漆的性能对比实验（强制烘干）
|
方案一 |
方案二 |
方案三 |
|
|
烘烤工艺 |
室温流平10min，立刻放入80℃烘箱，烘烤3h后，放置7天检测 |
||
|
光泽 （20°/60°） |
84.5/91.6 |
83.5/91 |
83/90.5 |
|
铅笔硬度（三菱铅笔） 最终硬度 20-25μm |
2H轻痕 |
2H轻痕 |
2H轻痕 |
|
铅笔硬度（三菱铅笔） 80℃30min 20-25μm |
F轻痕 |
H轻痕 |
H轻痕 |
|
活化期（25℃） |
4h 粘度光泽变化不大 |
4h 粘度和光泽变化不大 |
4h 粘度和光泽变化不大 |
|
干膜针孔极限（μm）温度25℃，湿度55% |
80μm |
92μm |
80μm |
|
耐丙酮(min) |
大于10min |
大于10min |
1min |
|
耐二甲苯(min) |
大于10min |
大于10min |
4min |
|
耐92号汽油 24h |
OK |
OK |
NG |
|
耐碱NaOH (0.1N) /室温 24h |
OK |
OK |
OK |
|
耐酸H2SO4 (0.1N) /室温24h |
OK |
OK |
OK |
|
耐常温水 |
3天 |
10天以上 |
小于1天 |
|
耐40℃水 |
1天 |
7天 |
小于1天 |
|
Qsun人工老化 |
大于2000h |
大于2000h |
大于1000h |
|
材料成本（AB组分平均成本，白色为例） |
32元/公斤 |
25元/公斤 |
22元/公斤 |
表12. 三个方案面漆的性能对比实验（常温自干）
|
方案一 |
方案二 |
方案三 |
|
|
干燥工艺 |
自干条件温度25℃，湿度50-55% |
||
|
光泽（20°/60°） |
84.3/91.0 |
82.5/99.7 |
81/90.2 |
|
铅笔硬度（三菱铅笔）自干1天 20-25μm |
H轻痕 |
H轻痕 |
HB无痕 |
|
铅笔硬度（三菱铅笔） 自干7天 20-25μm |
2H轻痕 |
2H轻痕 |
H轻痕 |
|
干膜针孔极限（μm）温度25℃，湿度55% 在恒温室条件 |
大于110μm |
大于110μm |
大于100μm |
|
干膜针孔极限（μm）温度32℃，湿度65% 高温室内条件 |
90μm |
100μm |
90μm |
|
干膜针孔极限（μm）温度42℃，湿度45% 户外太阳暴晒条件 |
80μm |
90μm |
70μm |
3.3 不同的水性工程机械客户选择的分析
1.对于一些高端的客户，要求比较苛刻，但是施工条件比较优异，也愿意为油转水进行投资改线的客户。双组份环氧底漆，推荐用方案二，因为在比较好的烘烤条件下，基本上不存在湿碰湿的工艺需求，而且底材比较好的话，刮腻子也不会很多。双组份面漆，推荐使用面漆的方案二，这样性能更加有保障，但是如果对外观要求特别高，特别是光泽和流平方面，就推荐方案一，面漆方案一主要是用于对外观要求比较苛刻的大巴漆。
2.对于一些常见的客户，这些客户可能会投资改线，但是不会大改，希望能够使用目前的溶剂型的涂装条件下进行涂装。双组分环氧底漆，推荐方案一，只有方案一才能保证耐湿碰湿涂装面漆，而且能够耐腻子。双组份面漆，推荐面漆方案二，这套方案基本上能够满足现在大部分的涂装需求。
3.对于一些要求不高的客户，这些客户就是要求效率高，也不会更改目前使用的生产线。双组份底漆，推荐方案三，干燥快，成本低，对一些要求塔吊，低端的农用车都是能够满足需求的。双组份面漆，如果客户一定要求跟溶剂型一样的价格，只能用面漆方案三，但是客户如果能够接受部分的价格提高，还是推荐使用方案二。
4、总结和展望
由于中国气候环境的恶化，中国政府对一些污染企业的整治力度逐渐加强，现在汽车原厂漆已经在大的汽车厂已经全面使用了，例如北汽，长城，长安等等，目前基本上用的产品都是外资产品。而且这样大型汽车厂都是有很好的回收处理的设备和工艺。工程机械涂料的水性化目前还是刚刚开始，虽然确实在环保的压力下，很多企业都在做水性涂装的实验工作，但是还是只有很少一部分的厂家使用水性涂料。大型的国企，或者大型的私企，比较集中因此好管理，他们进行水性化的进程还是比较快，都具有水性涂装的技术储备，只要政府进行严格整治，估计就在今年，水性工程机械涂料会有一个相当大的使用量。本文中的底漆和面漆的三套方案满足大部分工程机械涂装的要求。估计在2020年前，水性工程机械涂装会达到近一半的比例。
参考文献：
[1] 三一重工水性工程机械技术企业标准（节选），2017年
[2] Joel J.Gummeson, Martin Gerlitz. 用于重防腐的水性双组份环氧/胺底漆 CHANA COATINGS, 200722(10):52-56.
[3] 徐杰. 高性能水性工程机械环氧底漆的研究 东华大学硕士论文 2015年.
[4] 王秋娣，万长鑫. 工程机械用水性环氧防锈底漆研制及应用 2014年中国涂料工业协会防腐涂料分会年会论文集:192-198.
[5] 霍春会，邵海龙，张华妮. 双组份水性聚氨酯色漆耐水性探索 中国涂料，2016,31(8):34-38.
[6] 成中平，顾广兴等. 水性羟基丙烯酸树脂对工程机械用双组份水性聚氨酯面漆性能影响的研究 涂料工业，2016,46(8):64-70
[7] 左贞，唐骅，靳艳丽. 水性漆在工程机械突转工艺设计中的应用分析 涂料工业，2016,46(6):65-69
(0)
