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羅 健，吳 冰，席亞娟，錢 程，丁夢佳，陳釗聰
(南京長江涂料有限公司，南京 210047)

摘要：研制了液壓油缸外壁用水性涂料配套體系,結果表明:通過對比實驗,選用國產水性羥基丙烯酸分散體S02制備水性丙烯酸聚氨酯面漆,涂膜綜合性能更佳;親水性多異氰酸酯H01與樹脂相容性好、易分散均勻,但耐化學品性能不如低黏度疏水性多異氰酸酯H02,通過將兩種水性異氰酸酯固化劑復配使用,研制液壓油缸外壁用水性涂料配套體系,各項性能不僅滿足HG/T 4761—2014 《水性聚氨酯涂料》標準要求,也能夠滿足客戶使用性能指標要求。

關鍵詞：液壓油缸，配套體系，水性丙烯酸聚氨酯

0 前 言

液壓油缸廣泛配套應用于汽車、叉車、工程機械等行業生產的各種型號自卸汽車、叉車、裝載機、推土機等，其中技術含量較高的是工程機械用液壓油缸，市場需求量也大。為保證液壓油缸的質量，其涂裝防護顯得尤為重要。

液壓油缸的使用環境相對復雜，外壁用涂層不僅要求具有優異的附著力、抗沖擊性和高硬度，對防腐性能、耐候性和耐化學品性能也有較高要求。目前，液壓油缸外壁主要采用“溶劑型環氧底漆＋溶劑型雙組分聚氨酯面漆或溶劑型環氧富鋅底漆＋溶劑型環氧云鐵中間漆＋溶劑型雙組分聚氨酯面漆”的涂裝配套體系。但隨著大氣污染問題日益嚴重，揮發性有機化合物(VOC)作為霧霾的重要原因，是當前國家大氣污染治理的焦點，而溶劑型涂料是VOC排放的主要來源之一。因此，在日趨嚴格的環保法規政策下，環境友好、高性能的水性涂料等必將逐漸并快速替代傳統的中低固體分溶劑型涂料。

面對嚴峻的環保形勢，越來越多的工程機械裝備企業正在尋求水性化涂裝解決方案，本文就液壓油缸外壁用水性涂料配套體系進行深入的探討。選取了高羥值的水性丙烯酸分散體作為主體樹脂，篩選合適的涂料助劑，并將不同異氰酸酯固化劑進行復配，制備液壓油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆；在此基礎上，依據客戶液壓油缸使用腐蝕環境，分別為客戶提供配套解決方案，所研制的液壓油缸外壁用水性涂料配套體系各項性能指標不僅滿足HG/T 4761—2014《水性聚氨酯涂料》標準的要求，也能夠滿足客戶指定液壓油缸外壁用水性涂料涂裝配套體系性能指標的要求(見表1)，具備巨大的市場潛力。

1 實驗部分
1.1 實驗原料

水性羥基丙烯酸分散體S01，國產，固含量46%±1%，固體樹脂—OH值3.3 mg KOH/g；水性羥基丙烯酸分散體S02，國產，固含量45%±1%，固體樹脂—OH值4.2 mg KOH/g；水性羥基丙烯酸乳液S03，歐洲進口，固含量46%±1%，固體樹脂—OH值2.5 mg KOH/g；水性羥基丙烯酸分散體S04，美國進口，固含量42%±1%，固體樹脂—OH值4.1 mg KOH/g；水可分散HDI型異氰酸酯固化劑，國產，固含量100%，—NCO值21%±1%；有機顏料，科萊恩；金紅石型鈦白粉，美國杜邦；分散劑、消泡劑、締合型聚氨酯增稠劑，迪高；基材潤濕劑，畢克化學；LXE殺菌劑，陶氏化學；有機錫類水性催化劑，OMG；去離子水，自制。

1.2 儀器和設備

SFJ 500 高速分散機，變頻器調速范圍：50～6 000r/min，上海現代環境工程技術有限公司；BYK4563微型三角度光澤儀，德國 畢克；QXD-50刮板細度計，上海魅宇儀器設備有限公司；SF450鹽霧腐蝕試驗箱，CW專業設備有限公司。

1.3 液壓油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆的制備

按照配方量依次加入去離子水、分散劑、顏料，在轉速1 000 r/min攪拌下分散至無粉團、無結塊。然后，將以上漿料轉入砂磨設備研磨，至漿料細度≤20μm。接下來，將剩余的水性羥基丙烯酸分散體、基材潤濕劑、流平劑、消泡劑、催干劑依次加入漿料中，800r/min攪拌30 min。最后，加入增稠劑調節體系黏度至80～100 s(涂-4#杯)，使用300目絹絲布過濾后，即得液壓油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆A組分。

在低速攪拌下依次加入丙二醇甲醚乙酸酯、脫水劑和水性異氰酸酯固化劑，提升轉速至1 000 r/min攪拌分散8 min，即得液壓油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆B組分。

根據S01、S02、S03和S04體系，分別制備不同樹脂體系的大紅、中黃、白、中藍和黑色水性羥基丙烯酸聚氨酯面漆。表2列出了液壓油缸用水性丙烯酸聚氨酯白面漆A組分的具體配方，表3列出了液壓油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆B組分的具體配方。
1.4 性能測試與分析方法
依據GB/T 6753.1—2007規定進行細度測試；依據GB/T 9754—2007規定進行涂膜光澤度測試；依據GB/T 1732—1993規定進行涂膜耐沖擊性能測試；依據GB/T 6739—2006規定進行涂膜鉛筆硬度測試；依據GB/T 9286—1998規定進行涂膜劃格附著力測試；依據GB/T 1733—1993規定進行耐水性測試；依據GB/T 9274—1988規定進行耐酸性測試；依據GB/T9754—2007規定進行耐堿性測試；依據GB/T 1771—2007規定進行耐鹽霧性能測試。

1.5 產品性能指標
液壓油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆性能指標見表4。

2 實驗結果與討論
2.1 液壓油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆的配方設計
通過篩選合適的水性羥基丙烯酸樹脂、顏填料、水性涂料助劑，并搭配與之相容性好的異氰酸酯固化劑，制備滿足液壓油缸使用性能要求的水性丙烯酸聚氨酯面漆。
2.1.1 主體樹脂的選擇
水性丙烯酸聚氨酯涂料是含—OH基團的水性多元醇和含—NCO基團的低黏度的多異氰酸酯固化劑發生交聯反應后的熱固性涂料，其涂膜性能主要決定于水性羥基樹脂的組成和結構。水性羥基丙烯酸樹脂分子鏈段上—OH基團含量的高低影響反應交聯密度，從而影響水性丙烯酸聚氨酯涂料的硬度、附著力、柔韌性和耐化學性能。提高水性樹脂分子鏈段中的—OH基團含量，能夠加快其與—NCO基團的反應速度，從而加快涂膜的干燥速度；另一方面，也提高了反應交聯密度，使得涂膜具有高光澤、高硬度和優良的耐化學性能。但是，—OH基團含量過高，會增加異氰酸酯固化劑用量從而提高成本，同時也會增加—NCO基團與H2O的反應，影響涂膜光澤。影響水性羥基丙烯酸樹脂性能的另外一個重要參數是固含量，固含量越低則水含量越高，涂膜干燥越慢；反之，固含量過高涂膜干燥過快，不僅會影響施工性，同時固含量偏高的樹脂粒子間距小，流變性能較差，使得涂料在噴涂時調節性能的困難增大。
表4列舉了4種水性丙烯酸聚氨酯面漆的涂膜性能，通過實驗數據分析可以得出，國產S02和進口S03樹脂體系滿足液壓油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯涂料光澤(60°)高于90%的使用要求，但S03樹脂體系硬度偏低(B)，S02樹脂體系硬度為H，也具有較好的柔韌和附著力，綜合性能更佳。通過對比實驗，針對性地篩選合適的水性羥基丙烯酸樹脂，使它在光澤、硬度和柔韌等性能達到了均衡。因此本研究最終確定國產S02水性羥基丙烯酸分散體(固含量45%±1%，固體樹脂—OH值4.2 mg KOH/g)作為制備液壓油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆的主體樹脂。
2.1.2 水性異氰酸酯固化劑的選擇
水性異氰酸酯固化劑是水性丙烯酸聚氨酯涂料配方的關鍵成分，其與水性羥基丙烯酸樹脂能否有效、快速反應是決定涂膜性能好壞的關鍵。水性異氰酸酯固化劑影響反應的因素有以下3點：(1)固化劑的黏度；(2)固化劑在混合時對體系黏度的影響；(3)固化劑與樹脂體系的相容性。目前，水性丙烯酸聚氨酯涂料用水性異氰酸酯固化劑主要有親水性和低黏度疏水性多異氰酸酯，如表5所示列出了兩種水性異氰酸酯固化劑的性能特點。

本文通過將兩種水性異氰酸酯固化劑按一定配比混合使用，研究兩者配比對水性丙烯酸聚氨酯涂膜性能的影響，實驗結果如表6所示。通過分析表6實驗數據得出，添加疏水性多異氰酸酯H02能夠提供水性丙烯酸聚氨酯涂膜的硬度和光澤，當m(H01)∶m(H02)為3∶1時涂膜綜合性能最佳。
2.1.3 分散劑的選擇
水性涂料中，分散劑的主要作用是縮短分散時間，提高涂膜的光澤和遮蓋力，改善調色性和展色性，同時防止漆液貯存過程中的浮色、發花和沉淀。但是，大多數的分散劑會提高涂膜對水的敏感性，影響涂膜耐介質性能，因此，篩選合適的分散劑也是制備水性丙烯酸聚氨酯面漆的重要環節之一。
通過大量實驗對比，本文選用TEGO 750W作為分散劑，并考察了其用量對分散效率、涂膜光澤和耐介質性能的影響，見表7。

通過表7可得，當TEGO-750W分散劑用量為1.0%時，分散效率最高，所制備的水性丙烯酸聚氨酯面漆涂膜性能最優，具有較好光澤、耐水性和耐鹽霧性能。當分散劑用量低于1%時，分散效率低；當分散劑用量過高時，不僅增加涂料成本，也會影響涂膜的耐水性和耐鹽霧性能。因此，綜合成本、分散效率和耐介質性能，確定添加1%TEGO-750W分散劑較為合適。
2.1.4 其他水性涂料助劑的選擇
水性涂料助劑是制備水性涂料必不可少的組分。水的表面張力高，很難達到理想的潤濕效果，涂裝過程中容易產生縮孔、火山口和窩眼等涂膜弊病，對于本實驗遴選的水性羥基丙烯酸分散體，通過大量實驗表明，添加BYK-346聚醚改性有機硅類基材潤濕劑能夠有效降低表面張力，提高漆液對基材的潤濕性能。

在增稠劑篩選方面，相比于親水的堿溶脹型丙烯酸酯增稠劑，選擇TEGO ViscoPlus 3030疏水改性的聚氨酯締合型增稠劑，所制備的涂膜具有更佳的耐水和耐鹽霧性能，如表8所示。在消泡劑篩選方面，選擇相容性好、消泡能力適中的TEGO Airex 901W能夠避免出現縮孔、霧影等涂膜弊病，對涂膜光澤影響也較小，如表9所示。
2.2 液壓油缸外壁用水性涂料配套體系的確定
依據客戶液壓油缸使用腐蝕環境R2和R4I的要求，為客戶提供兩種配套方案分別為配套方案1：水性環氧底漆＋水性聚氨酯面漆；配套方案2：水性環氧富鋅底漆＋水性環氧云鐵中間漆＋水性聚氨酯面漆。
2.2.1 涂裝環境要求
水性涂料的涂裝環境要求嚴格，涂裝環境的好壞直接影響涂膜涂裝質量。水性涂料的噴涂車間要求必須潔凈，溫度控制在15～35 ℃、濕度控制在30%～80%為宜，同時保證噴涂車間通風順暢，有溫度和濕度調節裝置，在環境惡劣的情況下能夠有效調節，避免出現涂膜起泡、流掛、閃銹等涂裝問題。
2.2.2 涂裝工藝要求
液壓油缸外壁用水性涂料配套體系的涂裝工藝要求見表10。

2.2.3 液壓油缸外壁用水性涂料配套體系的性能
按照表10所示的涂裝工藝要求，采用空氣噴涂施工，對噴砂除銹處理的鋼板分別噴涂配套方案1——水性環氧底漆＋水性聚氨酯面漆，配套方案2——水性環氧富鋅底漆＋水性環氧云鐵中間漆＋水性聚氨酯面漆，制作液壓油缸外壁用水性涂料配套復合涂層樣板，室溫自干養護7 d后依據HG/T 4761—2014標準和客戶指定液壓油缸外壁用水性涂料涂裝配套體系性能指標要求(表1)進行各項性能測試，實驗結果如表11所示。

由表11可知，本實驗制備的水性液壓油缸外壁用水性涂料配套體系選用了高羥基的水性丙烯酸分散體，研制的水性聚氨酯面漆交聯密度高，具有優異的耐水、耐酸堿性能，各項性能指標遠遠超過HG/T4761—2014《水性聚氨酯涂料》標準要求。為客戶提供配套方案1和方案2的耐中性鹽霧測試分別超過1 000h和2 100 h，明顯優于市場上同類產品的耐中性鹽霧性能；環氧類產品對底材具有極高的附著力，配套復合涂層的拉開法附著力分別達到12 MPa和14 MPa，滿足客戶對產品性能指標的要求，優異的層間附著力能夠保障涂裝后的液壓油缸在使用過程中受到碰撞時涂膜不開裂、不脫落，提供持久、高效的防護作用；由于水性環氧富鋅底漆的表面粗糙度高于水性環氧底漆，配套方案2的光澤(90.8%)略低于配套方案1(91.5%)，但均能夠滿足客戶要求；液壓油缸長期處于油漬環境工作，對耐液壓油性能提出了新要求，本實驗制備的水性涂料配套復合涂層耐46#液壓油超過2 800 h以上，遠滿足于客戶性能指標要求480 h。
綜上所述，依據客戶液壓油缸使用腐蝕環境R2和R4I的要求，本實驗研制液壓油缸外壁用水性涂料配套體系，分別為客戶提供配套方案1和方案2應用于液壓油缸的涂裝防護，各項性能不僅滿足HG/T 4761—2014《水性聚氨酯涂料》標準要求，也能夠滿足表1所示客戶使用性能指標的要求，在當前嚴峻的環保形勢下，給客戶提供了高性能、環保的水性涂裝解決方案。
3 結 語
(1)通過對比實驗，選用國產水性羥基丙烯酸分散體S02(固含量45%±1%，固體樹脂—OH值4.2 mgKOH/g)制備液壓油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆，涂膜60°光澤為92.6%，硬度為H，具有較好的柔韌和附著力，綜合性能更佳。
(2)親水性多異氰酸酯H01與樹脂相容性好、易分散均勻，但耐化學品性能不如低黏度疏水性多異氰酸酯H02，通過將兩種水性異氰酸酯固化劑復配使用，當m(H01)∶m(H02)為3∶1時涂膜綜合性能最佳。
(3)研制的液壓油缸外壁用水性涂料配套體系，各項性能不僅滿足HG/T 4761—2014 《水性聚氨酯涂料》標準要求，也能夠滿足客戶使用性能指標的要求，具備巨大的市場潛力。