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汽车刹车盘用环境友好型改性环氧涂料的研究
张国芳，王建刚，刘 月，郝彦敏
(石家庄市油漆厂，石家庄 050086)
0 前 言
中国是汽车制造大国，据统计，2017年以来，中国汽车的产量平均每年接近3 000万辆，而刹车盘作为汽车的关键配件，其需求更是随着汽车产量的猛增而快速发展，年需求量约7亿～8亿套，使用涂料约5 600～6 400 t，具有广阔的市场前景。
近年来，随着我国经济与工业的飞速发展，环境污染，特别是大气污染变得特别严重，汽车工业作为我国经济的重要支柱也必须满足国家或地方对《重点区域大气污染防治“十三五”规划》的要求，符合汽车涂装行业排放标准和管理规定。刹车盘在工作时会摩擦生热，短时间内温度急剧上升，对涂层的耐热性有一定的要求。同时，由于汽车的使用环境也比较复杂，对涂层的耐盐雾性、耐湿热性要求也比较高。因此，开发出一种附着力优异、机械性能佳、耐热性及耐盐雾性好的环境友好型涂层，提高刹车盘的使用寿命，具有较好的市场前景和经济、社会效益。
本研究根据特定客户对刹车盘用防腐涂料性能要求，从树脂、颜填料、固化剂等原材料种类筛选入手，探讨了不同原材料对涂层性能影响因素。同时，在原材料筛选过程中充分考虑涂料施工固体分对VOC的影响，并满足无重金属含量的要求。成功制备出一种符合刹车盘用环境友好型改性环氧涂料，具有较好现实意义。
1 实验部分
1.1 涂层主要技术指标及检测方法
表1为刹车盘用涂料主要性能指标及检测方法，表2为汽车涂料中有害限量。
1.2 实验主要原材料及基础配方
表3为实验用主要原材料及基础配方。
1.3 实验仪器设备
电子天平，TC3K，常熟；膜厚仪，NiX-8500，德国；划格器，QFⅡ，天津；恒温干燥箱，101-1A，北京；涂膜冲击器，BGD，德国；柔韧性测试仪，QTX-1，天津；砂磨机，QSM-Ⅱ型，天津市科联材料试验机有限公司；高速搅拌机，SDF，上海维特电机有限公司；箱式电阻炉，XL-1，天津；盐雾试验机，Sheen，英国。
1.4 制备工艺
在配料罐中按配方中物料依次加入物料环氧树脂、聚酯树脂、助剂及颜填料，定速混合均匀后加入砂磨机中分散，分散到细度≤25 μm后，将漆浆过160目的滤网入样品盒中调整黏度适中；涂料与固化剂、稀释剂按一定的比例混合搅拌均匀，喷涂在试板或工件上，在80 ℃烘烤30 min，然后放置恒温恒湿室，调节一定的时间后对涂层进行各项性能的测试。
2 实验结果与讨论
2.1 树脂的选择
2.1.1 聚酯树脂
由于刹车盘特殊的加工方式，部分端面具有均匀的刀型平行横纹，使用的涂层必须具有优异的机械性能及附着力，单独使用环氧树脂作为涂料的成膜物，机械性能及附着力往往不能满足使用要求。聚酯树脂一般由多元醇、多元羧酸和酸酐通过缩合聚合反应制得，具有优异的柔韧性、抗冲击性及附着力等机械性能。根据前期实验表明，在环氧树脂中混拼适量的聚酯树脂，可以显著提高涂层的机械性能及附着力。环氧树脂与聚酯树脂的配伍比例不同，最终涂层的性能也有所不同。
本实验设计5种不同环氧树脂/聚酯树脂配比方案，并对制备的涂层机械性能、耐热水性、耐盐雾性进行测试，具体实验方案与测试结果如表4所示。
从表4中可以看出，随着聚酯树脂含量的增多，涂层的机械性能如冲击强度、柔韧性、附着力均有所提高，但耐盐雾性有所下降，且此类满足混拼要求的聚酯树脂成本偏高，综合考虑，最终认为方案2[m(环氧)∶m(聚酯)=20∶1]为本实验最优树脂配伍比例。
2.1.2 环氧树脂
通过2.1.1中的实验发现，引入少量聚酯树脂可以显著提高涂层的机械性能，但树脂体系中环氧树脂仍占大部分比例，因此需对环氧树脂的种类进行筛选测试。环氧树脂按结构分可分为双酚A型环氧树脂、线型酚醛环氧树脂、邻甲酚醛环氧树脂、双酚F型环氧树脂、双酚S型环氧树脂、氢化双酚A型环氧树脂等几大类。常用与制备环氧涂料的环氧树脂是双酚A型环氧树脂和线型酚醛环氧树脂。线型酚醛环氧树脂虽然有硬度高、耐磨性好的特点，但由于酚醛结构耐黄变性差，不予选择。
综上所述，本实验选用不同分子量双酚A型环氧树脂为主体成膜物质，通过对液态环氧树脂SM618、半固态环氧树脂SM6101、固态环氧树脂SM601、SM604的筛选，并控制不同分子量环氧树脂的配伍比例，筛选出满足使用要求的环氧树脂及用量，设计7种实验方案，对制备的涂层进行性能测试，具体实验方案及测试结果如表5所示。
从表5中可以看出，含有液态树脂或半液态树脂的实验方案，耐温黄变性、色差及机械性能较差，不满足刹车盘用涂料技术指标要求；而方案E相较于方案F与方案G，涂层柔韧性较差，同时有轻微黄变，鉴于客户对颜色要求比较高，故舍弃此方案；方案G涂层虽然耐温黄变性及机械性能较好，但耐盐雾性较差。因此选用SM601与SM604以2∶1的比例进行复配的方案F作为本实验环氧树脂筛选的最终方案。
2.2 颜填料的选择
由于刹车盘实际喷涂膜厚较薄，颜色要求符合标准样板，且使用环境要求有较好的耐盐雾性，短期耐高温性，故在颜料应选择耐温性、耐候性、耐腐蚀性等方面进行筛选。本实验分别对金红石型钛白粉、色素炭黑，磷酸盐类防锈颜料、硫酸钡、滑石粉、云母粉、重钙等填料对涂膜性能的影响，结果如表6所示。
从表6中可以看出，金红石型钛白粉容易分散，高温后黄变色差小；而锐钛型钛白粉高温后色变较大；高色素炭黑虽不易分散，但着色力强，耐温变性好；磷酸盐类防锈颜料防锈性能优异，比较容易分散，但重金属含量有时超标；改性三聚磷酸铝颜料环境友好性、分散性较好。
从表7中可以看出，硫酸钡密度高，不宜制备低VOC涂料；800目滑石粉不能达到理想的细度；重钙粉比较容易分散，但耐热后对附着力有影响；1 250目的滑石粉、云母粉及硅微粉，性能比较稳定，可作为刹车盘用涂料的填料。
2.3 固化剂的选择
刹车盘是规则件，喷涂适合流水线生产，刹车盘涂装多数采用机器人喷涂，涂膜控制均匀，生产率高。但流水线喷涂，虽然不存在常温干燥的问题，但存在适用期的问题，刹车盘单套用涂料量在5～10 g，一桶10 kg的涂料一个工位使用时间往往超过4 h。因此，在满足刹车盘用改性环氧涂料的性能要求前提下，选择适用期长、附着力好、相对耐盐雾性好的环氧固化剂是配方设计的基本思路。对3种不同类型的固化剂制备的涂层性能进行测试，测试结果如表8所示。
从表8中可以看出，酚醛胺类固化剂制备的涂层耐盐雾性最为优异，但是涂料的适用期较短，只有适用期3 h不符合4 h以上的使用要求，同时附着力及机械性能较差，故舍弃。而改性胺类固化剂虽然耐盐雾性比聚酰胺类固化剂要好，但是相差不大，且附着力与适用期均不如聚酰胺类固化剂。因此，本实验选用聚酰胺类固化剂刹车盘用改性环氧涂料的首选固化剂。
2.4 溶剂的选择
涂料中添加少量的溶剂可以显著提高涂料的施工性与理化性能，但应符合国家与行业相关环保法律法规[3]，因此需对刹车盘用涂料的溶剂从溶解性、汽车涂料用溶剂的种类和限量两个方面选择适宜的溶剂，具体对比结果如表9所示。
通过表9分析，选择二甲苯/丁醇混合溶剂适当配制MIBK、环己酮，可以满足刹车盘用涂料的溶剂要求。
2.5 产品性能检测结果
通过优化调整配方，控制涂料用原材料的种类及用量，最终制备出符合国家及行业环保要求的刹车盘用防腐涂料。并通过对固化剂的筛选，适应流水线生产的工艺要求和技术指标要求，最终优化的刹车盘用改性环氧涂料的主要性能检测结果如表10所示。表11为汽车涂料中有害物质限量的检测结果。
3 结 语
本实验从刹车盘用防护涂料的性能要求、环境友好性、涂装施工性等方面入手，对涂料用树脂、颜填料、固化剂及溶剂进行筛选，结果表明：
(1)采用适量聚酯树脂与环氧进行复配作为涂料的成膜物，可以显著提高涂料的机械性能与防腐能力。
(2)颜料主要选择耐热性好、耐候佳、耐湿热优异的金红石型钛白粉、色素炭黑，同时搭配防锈性能优异的磷酸盐、耐热稳定的滑石粉、云母粉、硅微粉等填料。
(3)采用适用期长、机械性能优异、防腐性能优良的聚酰胺固化剂制得的改性环氧涂料性能优良，满足刹车盘用漆的涂装及使用要求。
(4)选择溶解性好的一定限量使用的溶剂作为刹车盘用涂料的溶剂，满足汽车涂装行业排放标准和管理规定。
