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汽车零配件用水性双组分聚氨酯涂料的配方设计
方 博1,2，李国军1,2，张玉国1,2，余国强1,2
(1.广州擎天材料科技有限公司，广州 510860；2. 中国电器科学研究院有限公司，广州 510080)
0 前 言
目前，鉴于全民环保意识的提高，以及各项环保政策的压力，涂料的水性化已是大势所趋，汽车零配件的涂装已有很多从传统溶剂型涂料转换成了水性涂料，本研究的对象即是汽车零配件，针对部分单组分自干型水性涂料无法满足客户在施工及性能上的要求而进行。普通单组分自干型水性涂料施工方便、表干速度快、价格低廉，现已有较多单组分水性涂料应用于汽车零配件市场，取代溶剂型涂料的案例。但是单组分水性涂料也有许多不足之处，如：涂层硬度不高、光泽度不够高、耐码垛性能差等缺点，限制了单组分水性涂料的应用范围。
本文所介绍水性双组分聚氨酯涂料正好可以解决单组分自干水性涂料的这些不足。同时，分析汽车零配件的涂装工艺，在保证涂膜的附着性、快干性的基础上，消除水性双组分聚氨酯涂料极易出现的痱子、火山口等瑕疵，使涂膜获得更佳的流平和丰满度。
1 汽车零配件的涂装工艺
近些年，我国的汽车行业一直在飞速发展，而针对于汽车行业发展中的涂装工艺也越来越完善，涂装工艺作为汽车制造行业发展中较为重要的一项生产工艺，其不仅能够提升汽车表面装饰效果，同时也可以为汽车各个部件提供保护作用，让汽车在日常使用中安全系数更高，使用期限更长。
要研究汽车零配件用水性涂料，首先就必须分析汽车零配件的涂装工艺，我国目前在汽车零配件的涂装工艺上大致有人工喷涂、往复机和机器人等3种涂装方式。鉴于安全生产、涂装质量以及投入成本等因素的考虑，在传动轴、变速箱、千斤顶等汽车零配件的涂装工艺上，大多厂商选择的是往复机加人工补漆的方式进行涂装。本工艺的特点是往复机上下行走，待涂装工件横向移动且保持自转，通过静电吸附将水性涂料均匀涂布于各工件表面，对于部分往复机喷涂不到的部位，进行人工补漆。此工艺投入成本不大，且效率很高，本篇将以此工艺作为对象，对水性双组分聚氨酯涂料进行相应介绍。其大致的涂装工艺如图1。
2 水性双组分聚氨酯涂料的研究
2.1 水性双组分聚氨酯的特点
双组分聚氨酯涂料具有优良的机械性能(硬度高、附着力强、耐磨性好等)、良好的耐化学品性以及高耐候性，广泛应用于工业防护、木器家具和汽车涂饰等方面，随着全民环保意识的不断增强，环保法规的日益健全，传统溶剂型聚氨酯涂料因其含有大量的有机溶剂受到越来越严格的限制。
目前，水性单组分自干型涂料因其价格低廉、施工方便，在汽车零配件的涂装市场已经占有一席之地，但是其许多性能，如硬度、耐磨、耐化学品性以及耐码垛性能离双组分聚氨酯涂料仍有不小的差距。而水性双组分聚氨酯涂料是将溶剂型聚氨酯涂料的高性能与水性涂料的低VOC排放相结合的产物，其通过含羟基的水性多元醇和含—NCO基团的水性固化剂反应来获得涂膜，在外观和性能上并不亚于传统溶剂型双组分聚氨酯涂料。
2.2 水性双组分聚氨酯的配方
2.2.1 水性羟基丙烯酸树脂
由于所涂布表面为汽车零配件的钢铁表面，树脂选择首先须在钢铁上有良好的附着力；根据市场调研，很大一部分产品要求具有高光泽以及良好的透明性；且作为水性单组分自干涂料的补充产品，须在硬度、耐化学性、耐磨性以及耐码垛性能上较之有大幅度的提升才能体现出其存在价值。鉴于以上3点，本篇将不考虑羟基含量偏低，与—NCO交联后交联密度较小的低羟水性树脂。高羟水性树脂—OH含量高，对钢铁附着力好，可提供高光泽、高丰满度的涂膜外观，其与水性多异氰酸酯固化剂反应后的涂膜性能更能符合要求，与单组分自干型水性涂料拉开差距。
本文选择市面常见的几种水性高羟丙烯酸分散体(Bayer XP2470、Allnex VSM6299、DSM XK540、DICWD551)进行实验对比，分别制成透明清漆，喷涂于马口铁，对涂膜光泽、附着力、硬度、耐化学性、耐码垛性以及耐候性进行测试，所用水性多异氰酸酯固化剂选择的是Bayer的2655，结果如表1所示。
由表1可见，参与实验的市面常见的几种水性羟基丙烯酸分散体均符合本实验要求，可用于制备所需用于汽车零配件钢铁表面的水性双组分聚氨酯涂料。
2.2.2 润湿剂
水性涂料与溶剂型涂料显而易见的一个区别就在于水性涂料是以水作为稀释剂，而非各类有机溶剂。溶剂型涂料可以通过不同溶剂的调整来平衡涂料整体的表面张力，但是水的表面张力是无法调整的，所以对于水性涂料来说，润湿剂就显得更为重要。润湿剂选择得当，不仅可帮助涂膜润湿底材，防止缩孔的出现，为涂膜带来更加平整光滑的即视感，亦可为高光泽产品提供更佳的流平效果，带来更高的光泽和丰满度。
汽车零配件在涂装过程中难免会出现各种各样的意外情况，导致涂膜需要返工重新喷涂，所以在实际应用中，不仅要考虑水性涂料对底材的润湿性，而且须对涂料的返工重涂性进行评估，这就要求在润湿剂的选择上须兼顾良好的润湿性和重涂性。本研究以碳钢板为基材，经过去油除尘及砂纸打磨处理，分别在本水性双组分聚氨酯涂料体系中添加不同的润湿剂来测试对底材的润湿效果及重涂性，结果如表2。
由表2可见，通过润湿性、流平性、防缩孔性、稳泡性以及重涂性的对比，DEGO4100更适合作为本体系的润湿剂。
2.2.3 消泡剂
由于水性涂料中表面活性剂的存在，水性涂料在分散搅拌过程中，容易产生相应的机械泡，另外，如果表面活性剂本身稳泡，那么在涂料施工时，很容易将微泡带入涂膜中，如果这些微泡在涂膜固化成膜之前无法消除，固化后就会出现溶剂孔、痱子、起泡等现象。所以，在水性涂料体系中必须添加相应的消泡剂来进行消泡，消泡剂由不同程度的疏水物质构成，不溶于水，水分散性较好的消泡剂不易出现缩孔，但消泡能力一般不强；水分散性较差的消泡剂如很多有机硅类消泡剂虽然消泡能力很强，但是容易让涂膜出现缩孔、发雾等现象，表3为在本清漆体系中添加不同的消泡剂所产生的效果。
针对本文所研水性双组分聚氨酯涂料，润湿剂选择的是不稳泡的DEGO4100，实际应用中发现，在分散搅拌时，涂料会出现少量的机械泡，但是这些泡很容易自然消除，且在施工过程中亦未出现微泡严重的情况，在经过常温流平后，烘干的涂膜并未出现溶剂孔、痱子、起泡等不良现象，如表3所示，本清漆体系可不考虑使用消泡剂，而只在色浆研磨阶段添加一定量的消泡剂，选用表中的BYK022。
2.2.4 增稠剂
增稠剂可用来调节水性涂料的触变值，控制涂膜的流平和防流挂效果。通过对各类增稠剂的测试发现，在本水性双组分聚氨酯涂料体系中，不论是碱溶胀增稠剂、聚氨酯增稠剂亦或是其他类型增稠剂，均对涂膜的流平产生较大的负面影响，尤其是在高光泽产品上，添加增稠剂后，不仅流平和丰满度欠佳，而且由于增稠剂的稳泡作用，固化后的涂膜很容易出现溶剂孔、痱子等瑕疵。但是在实际应用中，没有添加增稠剂的清漆体系又容易产生流挂，本研究经过大量测试后，决定在色浆研磨阶段添加一定量的气相二氧化硅来帮助涂料防流挂，同时不影响涂膜整体的流平性。表4为各增稠剂的评估结果。
2.2.5 助溶剂和成膜助剂
目前水性涂料还很难达到完全没有VOC排放，仍需借助少量的醇醚类助溶剂来改善助剂的水分散性、控制冻融稳定性、调整涂膜去液化时的干燥速度，而对水性树脂起作用的高沸点溶剂被称之为成膜助剂，其大多与水不相溶，在脱水过程中可溶胀树脂颗粒，起到助成膜的增塑作用。
在水性双组分聚氨酯涂料中，虽然可不需要成膜助剂来帮助成膜，但是一定量的助溶剂和成膜助剂的使用不仅可帮助施工，调节干燥速度，而且对固化后的涂膜外观可产生相当重要的积极影响。
根据前文提到的汽车零配件的涂装工艺，在喷涂前有前处理过程，实际考察发现，由于工件较大较厚，散热偏慢，很多时候在到达喷涂区域时本身仍带有较高的温度，而喷涂过程中，随着工件的自转，往复机不断地上下行走，涂料相当于是一层一层地慢慢覆盖在工件表面。因为工件本身的高温，前两层涂料喷涂上去后在还未将底材整体润湿的情况下很快变干， 如此即会造成喷涂完成后涂膜外观出现润湿不良、流平差、光泽下降等现象。
所以这个时候助溶剂和成膜助剂就显得尤为重要，通过添加高沸点溶剂，延缓喷涂前两层的干燥时间，增强润湿性和流平性，从而获得更好的涂膜外观，提升水性双组分聚氨酯涂料在汽车零配件涂装工艺上的适用性。另外，高沸点溶剂在涂膜固化过程中也起到一定的作用，可防止痱子、起泡等不良情况的产生。而助溶剂与水混溶，选择合适的助溶剂适当添加不仅可以用来改善助剂的水分散性，也可以帮助调节水性涂料的施工性，并且对去泡消泡产生积极影响。本文通过实验室大量实验模拟汽车零配件涂装施工现场条件，并且多次深入现场进行相应的测试，认为在水性双组分聚氨酯涂料中根据其不同作用，分别添加助溶剂和成膜助剂是非常必要的，现对各助溶剂和成膜助剂添加于本涂料体系中的使用情况进行总结，如表5。
表5中的溶剂含量为清漆整体配方量的10%，根据表5的总结，本试验选择丙二醇和醇酯12搭配添加于水性双组分聚氨酯涂料中来帮助施工和改善外观，其添加后，对体系有着一定的溶胀作用。经过贮存实验，其可在配方体系中稳定存在，未出现分层、沉淀等现象。
2.2.6 配方及涂膜性能
根据以上讨论，现以白色为例，将本文汽车零配件用水性双组分聚氨酯的A组分配方大致整理如表6。
按比例将以上A组分与B组分固化剂(XP2655)混合均匀，用去离子水调节黏度，另将碳钢板用800目砂纸作打磨处理，用酒精擦净，高压气流吹尘，喷涂水性双组分聚氨酯涂料，常温流平3 min，70 ℃烘烤30 min，对涂膜外观进行检验；常温放置7 d后对涂膜进行性能测试，测试结果如表7。
3 结 语
针对汽车零配件所需涂料的外观和性能要求，本篇研究者结合实际涂装工艺，对水性双组分聚氨酯涂料的配方体系进行了比较深入的探讨，其中对水性羟基丙烯酸分散体的要求并不苛刻，更重要的是对配方中其他组分进行选择，使其能够适合汽车零配件的涂装工艺，增强水性涂料在不同条件下的润湿性，平衡水性涂料的流平性和防流挂性，消除高光泽水性涂料表面的痱子等瑕疵，以获得性能优异且外观出色的水性双组分聚氨酯涂料。
