工程车用水性环保涂料配套体系的研究与应用
左骅,张桂顺,钱程,丁瑞东,刘保磊 (江苏长江涂料有限公司,南京 210047)
0 引言
随着工业污染和环境破坏的日益严重,我国对减 少和控制涂料中的 VOC 等有机物排放日益重视。 目 前,已有多省颁布 VOC 消费税法规,旨在快速推动环 保型涂料的发展。 水性涂料因其低毒、环保和安全等优异性能已成为国内、外涂料研究的热点。 国内水性涂料的使用主要集中在建筑和木器行业,而汽车涂料用量很少,且大部分依赖于进口涂料品牌,这主要还是归咎于在技术上与国外相比存在较大差距,国内 水性涂料的发展十分缓慢。
汽车涂料作为性能要求最高的涂料品种,其涂装工艺也要求极高,汽车涂料与涂装技术代表了当代涂 料工业发展的最高水平。 当前,我国经济正处于蓬勃发展时期,工程车在快速推进城镇化、道路基础设施建设和维护保养方面发挥了不可替代的作用。 由于工程车使用环境多为潮湿、多尘、盐碱等腐蚀环境,为增强车身防腐蚀能力并保障汽车质量和寿命,对工程车 的涂装防护显得尤为重要。
目前, 工程车辆生产线大多使用溶剂型涂料涂装,为积极响应国家和地方政府环保要求,东风、一汽 和江淮等车企已经启动水性化涂装生产线[6]。 基于研发水性环保涂料替代传统溶剂型涂料的市场需要,依 据水性汽车涂料唯一行业标准 HG/T 4570—2013 《汽车用水性涂料》要求,本研究开发了工程车用水性环保涂料配套体系,包括水性环氧底漆、水性聚氨酯中涂漆和水性聚氨酯面漆,各项性能指标均满足标准的技术指标要求, 完全可以替代传统溶剂型配套体系,具备巨大的市场潜力。
1 实验部分
1.1 实验原料
水性环氧乳液 E01[固含(53±1)%,活泼氢当量 1 000±40]:美国;水性环氧固化剂 H01[固含(80±2)%, 胺值(220±20)%]:美国;水性羟基丙烯酸分散体 S01 [固含(46±1)%, 羟值 3.3%]:国产;水性羟基丙烯酸分 散体 S02[固含(45±1)%,羟值 4.2%]:国产;磺酸盐改 性 HDI 型异氰酸酯固化剂 Y01 [固含 100%,NCO 值 (20±2)%]:国产; 氧化铁红:朗盛公司;磷酸锌、滑石粉:广西新晶;沉淀硫酸钡:常州华天;丙二醇甲醚:德纳化工;丙二醇甲醚醋酸酯:三木化工;金红石型钛白粉:美国杜邦;有机颜料:科莱恩;基材润湿剂:毕克化学;消泡剂、分散剂、水性流变助剂:迪高公司;杀菌 剂、防闪锈剂、脱水剂、催化剂(LH-10):OMG 公司;去离子水:自制。
1.2 仪器和设备
SFJ 400 高速分散机 (变频器调速范围:50~7 500 r/min):上海现代环境工程技术有限公司;QXD-50 刮 板细度计: 上海魅宇仪器设备有限公司;QFH 百格刀 漆膜划格器: 上海亮研智能科技有限公司;HD-618B 漆膜冲击试验机:昆山海达精密仪器有限公司;QTY10A 漆膜弯曲试验器: 苏州奇乐电子科技有限公司; QBJ 涂层杯突试验机: 昆山广测仪器设备有限公司;AG-4442 微型三角度光泽仪:德国毕克公司;SK-2 实验室用砂磨机:江阴精细化工机械有限公司;中性盐 雾腐蚀试验箱: 专业设备有限公司; QUV 紫外加速老 化试验机:美国 Q-Lab。
2 结果与讨论
2.1 工程车用水性环氧底漆的制备
可应用于底漆的水性涂料树脂众多,但由于水性环氧树脂分子结构中含有环氧基、羟基和醚键等特征基团,对底漆的最终性能起着重要的作用,故多做为首选。 水性环氧底漆对多种底材(碳钢、不锈钢、铝合金等)具有极佳的附着力,良好的耐水和耐酸、碱性,漆膜收缩小、硬度高、电气绝缘性优良,这是其他树脂涂料不可比拟的优点。
本研究通过大量查阅国内外水性环氧涂料文献和资料,并借鉴国内外著名水性涂料树脂生产厂家制漆的经验,确定工程车用双组份水性环氧底漆采用进 口 H01 水性环氧多元胺固化剂,同时选用合适的颜填 料和水性涂料助剂, 制备的涂料 A 组分配方见表 1; 采用进口 E01 水性环氧乳液作为成膜物,制备涂料 B组分。
实验将颜填料添加在水性环氧多元胺固化剂中,能够避免添加在水性环氧乳液中因研磨导致乳液破 乳的现象。 E01 水性环氧乳液是采用内乳化技术对环氧树脂进行微粒化, 并均匀分散在水中的分散体,具有适用期长、干燥快,能够满足工程车用水性环氧底漆施工特点。 H01 为多胺-环氧加成物,相比于市场上常用的二聚酸与多元胺缩合而成的聚酰胺固化剂,具有干燥快、硬度高、耐溶剂性好等特点,适合于工程车用底漆快干、耐溶剂好的性能要求。
颜料体积浓度(PVC)影响水性环氧底漆漆膜的附 着力、柔韧性和防腐性能等,合适的 PVC 是制备高质 量涂料的关键。 如表 2 所示,本实验考察了不同 PVC 对水性环氧底漆漆膜性能的影响。 PVC 太低,颜料粒 子不能紧密堆积,成膜物占据过量体积;PVC 太高,成膜物不能有效包覆颜料粒子,漆膜的致密性不高从而影响耐腐蚀性。
由表 2 可知,当 PVC 为 30%时,实验所制备的水性环氧底漆各项性能最佳,具有优异的机 械性能和防腐性能。依据 HG/T 4759—2014《水性环氧树脂防腐涂料》对制备的水性环氧底漆进行各项性能 检测,其结果如表 3 所示。
2.2 工程车用水性聚氨酯中涂漆的制备
工程车用中涂漆是用于工程车辆底漆和面漆之间的涂料。 其主要作用是通过填补、修正已经涂装底漆的工件表面从而提高其平整度,大幅提高面漆的光泽度、丰满度和鲜映性。 一般对中涂漆的性能要求有:
(1)与底漆、面漆具有良好的配套性,涂层内的结合力 强,硬度适中;
(2)填平性好,能够填补、消除底漆层的 表面缺陷;
(3)打磨性好,打磨时不粘砂纸、干性好,打 磨后漆膜平整、光滑;
(4)抗石击性好,漆膜具有优良的弹性,能够吸收一定的冲击能量。
目前,汽车涂装线上所用中涂漆较多采用氨基-聚 酯体系、部分采用氨基-丙烯酸体系,均为 130~150 ℃高温固化体系。 然而,工程车多为大型车辆、体积较大, 且采用整车喷涂方式, 现有工程车制造厂家的烘 烤条件只能满足 80 ℃,因此,柔韧性好的水性双组份聚氨酯是工程车用中涂漆的理想成膜基料。 依据车用中涂漆的性能指标和复合涂层配套体系的要求,本实 验选用水性羟基丙烯酸分散体 S01 设计配方进行工程车用水性双组份聚氨酯中涂漆的制备。 如表 4 所示分别制备工程车用水性双组份聚氨 酯中涂漆的 A 组分和 B 组分, 并按照 HG/T 4570— 2013《汽车用水性涂料》标准要求对中涂漆进行检测, 测试结果见表 5,结果表明,工程车用水性双组份聚氨酯中涂漆各性能指标均满足标准要求。
为保证水性双组份聚氨酯中涂漆膜的平整性和美观性, 应当对喷涂车间的温度和相对湿度严格控制, 通过温度和相对湿度调节装置控制喷涂室温度 在(23±2)℃、相对湿度(60±5)%为适宜。 整车喷涂完毕 后进入闪干区待水分缓慢挥发即可进入烘房在 80 ℃烘烤 0.5 h。 通常,工程车辆涂装节奏较快, 一些厂家为提高涂装效率没有等温度下降就立刻打磨, 为不影响工作效率, 此时需要注意中涂漆膜的硬度和打磨性。
2.3 工程车用水性聚氨酯面漆的制备
面漆作为工程车用配套复合涂层的最外层,主要起到保护和装饰性作用, 决定了涂层的耐候性和外 观。 车用面漆需要具备如下特性:(1)与中涂漆的配套性好,附着力好、光泽高、丰满度高、鲜映性高、耐候性 好;(2)硬度高,抗划伤和抗石击性好;(3)耐水、耐油、 耐化学品和耐盐雾性能优异;(4)耐酸雨、耐湿热变化和耐温度变化性能好。 因此,选择水性羟基丙烯酸分散体作为主体树脂,搭配异氰酸酯固化剂的水性双组份聚氨酯涂料不仅符合车用涂料的环保要求,也具有良好的附着力、抗石击性、耐腐蚀性和耐候性等一系列优良性能。
水性双组份聚氨酯涂料的性能主要由水性羟基丙 烯酸树脂的组成和结构决定,其分子链段上-OH 基团含量的多少影响反应交联密度, 从而直接影响漆膜的 附着力、硬度和耐化学性能。 -OH 含量越高,与-NCO基团的反应速率越快,漆膜干燥越快,同时提高了反应交联密度,使得水性双组份聚氨酯漆膜的硬度高、光泽 高、耐化学品性好;但是,-OH 含量过高会增加异氰酸酯用量,提高用漆成本。另一个影响水性羟基丙烯酸树脂性能的重要参数是固含量,固含量越低,则水含量越高,漆膜干燥就越慢;反之,固含量过高,树脂粒子间距小,对增稠不敏感,从而影响喷涂施工的性能调节。 本实验借鉴国内外知名水性涂料生产、研发企业的经验,最终选定性价比高的国产水性羟基丙烯酸分散体S02, -OH 含量为 4.2%,固含为 45%。由于工程车用涂料的高装饰性、高耐候性等特殊要求,因此水性羟基丙烯酸分散体的固化剂只能选用耐候性特别突出,能长期经受日晒夜露、雨打风吹条件下都不泛黄的脂肪族或脂环族异氰酸酯类固化剂。 目前常用的主要有 HDI 缩二脲、HDI 三聚体和 IPDI三聚体等。 但 IPDI 三聚体价格偏高,而 HDI 三聚体相 比 HDI 缩二脲,不仅具有干燥快、硬度高的优点,同时因其自聚形成稳定的六元环结构,能进一步改善漆膜 耐候性。 因此,本实验最终选定磺酸盐改性 HDI 型异 氰酸酯固化剂 Y01,具有极佳的水分散性、高 NCO 含 量,生态环保、零 VOC 排放。工程车用面漆涂层的外观要求较高,需要解决好流挂与流平之间的问题,流平助剂能够降低涂料表面张力,增加涂料系统在低剪切应力下的流动性,从而使得漆膜达到光滑、 无缩孔和橘纹等表面缺陷的效 果, 本实验选用 TEGO482 流平助剂能够显著改善涂料成膜时的流动特质。 工程车用面漆涂层的高装饰性要求涂料具有分散均匀、稳定性好,漆膜色彩鲜艳明亮, 需要选择分散效率高的分散剂提高贮存稳定性,防止浮色、发花等问题。 通过大量对比实验,综合成 本、 分散效率和耐介质性能, 本实验确定添加 1%的 TEGO 757W 分散剂较为合适。 水性双组份聚氨酯涂料干性较慢,可以添加合适的催化剂加速异氰酸酯与活性氢化合物的反应,从而缩短干燥时间,但需要注意催化剂对水性双组份聚氨酯适用期的影响,需要在干性和适应期之间做好权衡。 通过大量实验研究表 明,添加 2%有机锡类催化剂 LH-10 能够有效提高水性双组份聚氨酯面漆的干性,对适用期基本无影响。 如表 6 所示分别制备工程车用水性双组份聚氨 酯面漆的 A 组分和 B 组分,并按照 HG/T 4570—2013《汽车用水性涂料》标准要求对面漆进行检测,测试结 果见表 7, 工程车用水性双组份聚氨酯面漆各性能指标均满足标准要求。
2.4 工程车用水性环保涂料配套复合涂层的性能
依据表 8 所示工程车用水性环保涂料配套体系涂装工艺要求,采用空气喷涂施工方法,对喷砂除锈 处理后的钢板分别喷涂水性环氧底漆/水性聚氨酯中涂漆/水性聚氨酯面漆,制作工程车用水性环保涂料配 套复合涂层样板, 室温自干养护 7 d 后依据 HG/T 4570—2013《汽车用水性涂料》标准进行各项性能检 测,实验结果如表 9 所示。
由表 9 可知,本实验制备的工程车用水性环保涂料配套复合涂层综合性能较好, 具有优异的耐水、耐 酸碱性能, 各项性能指标远远超过 HG/T 4570—2013《汽车用水性涂料》标准要求。 水性环氧底漆产品对底 材具有极高的附着力,如图 1 所示,对工程车用水性环保配套复合涂层 (水性环氧底漆/水性聚氨酯中涂 漆/水性聚氨酯面漆)检测划格附着力,水性环氧底漆和各配套涂层的附着力优异;检测配套复合涂层的拉 开法附着力达到 12 MPa,优异的涂层层间附着力能够保障工程车在使用过程中受到碰撞时漆膜不开裂、不 脱落,从而提供持久的、高效的防护作用。 图 2 为应客户需求,现场为客户试喷涂水性环氧底漆/水性聚氨酯 中间漆/水性聚氨酯面漆的工程车涂装后的外观,整车具有较高的光泽和丰满度,客户非常满意。
3 结语
(1)选用适用期长、干燥快的内乳化 E01 水性环 氧分散体和 H01 水性环氧多元胺固化剂,制备附着力优异、适合于工程车用快干、耐溶剂好的水性双组份 环氧底漆。 当 PVC 为 30%时,所制备的水性环氧底漆各项性能最佳,具有优异的机械性能和防腐性能;
(2)水性双组份聚氨酯涂料具有柔韧性好、硬度 适中和磨性好等特点,本文选用 S01 水性羟基丙烯酸分散体设计配方制备工程车用水性双组份聚氨酯中涂漆,各性能指标均满足标准要求;
(3)选用性价比高的国产 S02 水性羟基丙烯酸分 散体和耐黄变性好的 HDI 型异氰酸酯固化剂 Y01,制备了一款高硬度、高光泽、高丰满度和耐候性突出的工程车用水性双组份聚氨酯面漆;
(4)研制的工程车用水性双组份环氧底漆/水性双 组份聚氨酯中涂漆/水性双组份聚氨酯面漆配套性良 好, 各项性能指标均满足或远远超过 HG/T 4570— 2013《汽车用水性涂料》标准要求。