低VOCs快干型水性汽车底盘防锈蜡的研究

低VOCs 快干型水性汽车底盘防锈蜡的研究
潘良1 高健1 马振宁2 吴士学1 周宪民1 李滢璐1 李维俊1
（1. 沈阳帕卡濑精有限总公司，沈阳110042；2. 北汽福田汽车股份有限公司诸城奥铃汽车厂，诸城262200）

1 前言
近年来，我国部分省份、地区环保政策逐步升级，汽车企业对于VOCs 排放重视程度不断增加，比如山东省环境保护厅和山东省质量技术监督局于2016 年7 月6 日联合发布了针对汽车制造业的山东省地方标准《挥发性有机物排放标准第1 部分：汽车制造业》（DB37/2801.1-2016）。原使用的溶剂稀释型汽车防锈蜡及溶剂型油漆难以满足新的环保要求，从2015年起，沈阳帕卡濑精有限总公司与北汽福田诸城奥铃汽车厂联合研发满足环保、质量、现场施工工艺要求的高性能水性化涂料。本研究根据VOCs排放法规，及整车厂卡车底盘表面水性涂装的施工特性要求，制备出一种新型快干水性底盘防锈蜡，能够有效提升生产节拍效率，降低能耗，耐盐雾、耐老化等性能表现优异。

2 试验部分
2.1 主要原料与器材
2.1.1 试验原材料
水性树脂：环氧树脂乳液A1、丙烯酸乳液A2、丙烯酸乳液A3，大日本油墨化学工业；蜡：巴斯夫聚乙烯蜡乳液B1、东莞兴鸿石蜡乳液B2及巴斯夫微晶蜡乳液B3；水性流平剂：BYK C1、Silcona C2、道康宁C3；水性润湿剂：BYK D1、BYK D2、澳汉D3；水性消泡剂：BYK E1、BYK E2、澳汉E3；功能助剂：醇类成膜助剂，美国依士曼；水性抗盐雾助剂，艾诺化学。上述试验原材料均为分析纯。
2.1.2 试验器材
精密电子天平：AUW120，日本岛津；高速搅拌机：WB3000- D，德国维根斯；涂膜刮涂器：Elcometer 4340，英国力高；盐雾试验机：DDCYW310，中益创天；耐老化试验箱：KJ-2029，东莞科建；低温冰箱：MDF-U3386S，日本松下。
2.2 实验方法与技术路线
低VOCs 快干型水性底盘防锈蜡制备流程大体包括下列两步：第一步是制备预分散体，第二步将预分散体注入树脂体系，两者混合，具体步骤如下所示。
2.2.1 预分散体的制备
在一定量的去离子水中，使用高速搅拌机1 000 r/min 条件下依次添加水性流平剂BYKC10.1%、水性润湿剂BYK D1 0.3%、醇类成膜助剂及水性抗盐雾助剂各0.5%，加料间隔5 min，全部原材料投加完后搅拌30 min。
2.2.2 低VOCs快干型水性底盘防锈蜡的制备
高速搅拌机500 r/min 条件下，将上述预分散体、丙烯酸乳液A3、聚乙烯蜡乳液B1 及去离子水进行搅拌混合均匀，搅拌时间为60 min，然后添加0.1%消泡剂BYK E1，继续搅拌30 min既可，具体工艺流程见图1。
低VOCs快干型水性底盘防锈蜡制备工艺流程
3 结果与讨论
3.1 水性树脂选择
卡车底盘喷涂水性底盘防锈蜡后，基本在户外应用，长期接受阳光暴晒，高低温变化等恶劣条件，因此需考虑产品老化性能。基于产品抗盐雾性能考虑，引入水性抗盐雾助剂与树脂产生协同效应，强化耐盐雾效果[1]。根据整车厂现场工况情况，产品应在自然条件下快速干燥，进而应对接下来的淋雨试验，因此应适当考虑产品含水量以及醇类成膜助剂与水共沸效应。另外，考虑环保法规要求，树脂选择时优先考虑VOCs值。
本研究水性树脂选择过程中，主要筛选环氧树脂乳液A1、聚乙烯蜡乳液A2 以及丙烯酸乳液A3，添加一定量的去离子水，使用涂膜刮涂器制得50 μm干膜，然后进行如下检测试验，具体见表1。
不同类型水性树脂性能检测数据
由表1可知，环氧树脂乳液A1耐老化时间仅为168 h，而表干时间过长，具体为24 h，而丙烯酸乳液A2盐雾试验时间过短，耐水性差。丙烯酸乳液A3虽然耐水性方面出现起皱、脱落，但其他性能均较为优异，因此确定水性树脂为丙烯酸乳液A3，但需选择合适材料提升水性丙烯酸树脂耐水性。
3.2 蜡的选择
根据上文可知，耐水性试验过程中丙烯酸乳液A3 涂膜起皱、脱落，这主要由于水性自干性树脂产品使用过程中缺少高温固化过程，成膜交联速度慢，并残留少量乳化剂，难以形成完全致密的成膜，所以尽量选择疏水性材料，而选择蜡质类材料可以很好的弥补耐水性不足。将一定量的丙烯酸乳液A3添加3%、5%、8%的聚乙烯蜡乳液B1、石蜡乳液B2及微晶蜡乳液B3，然后利用涂膜刮涂器制备50 μm干膜，相关监测数据具体见表2。
不同类型及比例的蜡性能检测数据
由表2 可知，丙烯酸乳液A3 添加不同比例的石蜡乳液B2，并未明显改善耐水性，而微晶蜡乳液B3应用过程中，对于原有丙烯酸乳液盐雾性能起到明显抑制作用，盐雾试验时间降至168 h，涂料体系耐水性方面出现开裂，并且表干时间也延长至4 h。使用聚乙烯蜡乳液B1 时，添加3%耐水性方面也会出现起皱情况，而添加5%、8%时，耐水性明显改善，并且老化时间延长至2 000 h，因此引入聚乙烯蜡乳液B1，其添加比例为5%。
3.3 流平剂的选择
水性蜡干燥成膜过程中要求形成高平整度、良好均匀性的光滑蜡膜，因此可适当引入流平剂，用于降低涂料表面张力，提升涂料流平性及均匀性，本研究选择流平剂相关数据见表3所示。
流平剂种类及使用量对涂料性能的影响
由表3可知，Seconal C2添加比例为0.1%、0.2%及0.3%时，盐雾试验均可达到480 h，成膜较为均匀，但存在蜡膜光亮略暗情况。道康宁C3 使用时，上述添加比例样品盐雾试验仅为168 h，成膜均匀、光亮，存在一定缩孔。BYK C1 添加比例为0.1%、0.2%盐雾试验均为480 h，成膜均匀、光亮，而添加比例为0.3%时盐雾试验为168 h，所以确定水性流平剂为BYK C1，添加比例为0.1%。
3.4 润湿剂选择
由于水表面张力较高，水性蜡需添加一定量的润湿剂，用于降低水性蜡体系表面张力，提升蜡液对于底材润湿及渗透性，增加流平和层间附着力，还可有效防止喷涂阶段基于静态、动态表面张力过高引发微泡、缩孔以及哑光等不良现象[2]。本研究选择润湿剂种类以及使用量相关数据见表4所示。
润湿剂种类及使用量对涂料性能的影响
由表4 可知，在水性丙烯酸树脂中分别添加0.1%、0.3%、0.5%的水性润湿剂BYKD1、BYK D2、澳汉D3涂板盐雾试验均可达到480 h，其中添加上述比例的BYK D2 时，蜡膜流平较为均匀，但蜡液泡沫量过多，而使用澳汉D3 时，蜡膜出现明显的哑光现象。使用水性润湿剂BYK D1时，其中添加比例0.1%时，蜡膜表现出哑光情况，而添加比例为0.3%及0.5%时，蜡液均流平均匀，因此水性润湿剂选择BYK D1，具体添加比例为0.3%，这样能够达到理想润湿性能。
3.5 消泡剂选择
实际涂料生产阶段常产生大量泡沫，引发生产放料困难及施工过程蜡膜表面缺陷[3]。良好消泡剂兼备抑泡及消泡作用，尤其表现为持久性消泡能力，但不会过多降低涂料表面张力，保持良好相容性，进而防止出现蜡膜缺陷情况，筛选消泡剂具体数据见表5。
根据表5 相关数据可知，BYK E2 添加比例分别为0.1%、0.2%、0.3%时，涂膜过程中均无微泡，但成膜表干出现缩孔。澳汉E3 使用过程中，0.1%、0.2%、0.3%比例的涂膜过程中均出现微泡，并且成膜表干也出现缩孔。本研究涂料体系选择BYK E1时，涂膜过程中添加上述比例BYK E1均未出现微泡，成膜表干阶段，0.2%、0.3% BYK E1添加比例蜡膜虽然没有缩孔，但存在质点，而0.1% BYK E1 添加比例无质点及缩孔，因此确定消泡剂为BYKE1，最佳添加比例为0.1%。
消泡剂种类及使用量对涂料性能的影响
4 产品性能验证
根据上述产品原料比例，适当添加0.5%醇类成膜助剂及水性抗盐雾助剂，制备出了低VOCs快干型水性底盘防锈蜡成品。该产品经三年多的研发和性能检测、验证与配方优化，其各项涂层性能参数见表6。水性底盘防锈蜡喷涂后外观状态较好，为无色透明硬质膜，见图2所示。目前，水性底盘防锈蜡已在北汽福田汽车奥铃汽车厂应用。
水性汽车底盘防锈蜡喷涂后外观状态
低VOCs快干型水性底盘防锈蜡成品检测数据
5 结束语
综上所述，本研究经三年多的研发和性能检测、验证与配方优化，制备了低VOCs 快干型水性汽车底盘防锈蜡，以水性丙烯酸乳液及聚乙烯蜡乳液为基础引入各种助剂，使之具备优异的防锈、耐老化性能，具有较宽泛的施工窗口。该产品VOCs排放量低，常温不需烘烤，属于环境友好、资源节约型的涂料。在环保政策日益严格的趋势下，水性底盘防锈蜡具有较好的推广价值，为汽车底盘的“绿色涂装”提供了一种新的方案。