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程明，李杰，吳權，江濤
（中遠關西涂料上海有限公司 上海市）
摘要：隨著人民對環保意識的增強，以及國家對環保監管力度的加大，傳統的溶劑型涂料正在一步步被限制，取而代之的是更環保的水性涂料，粉末涂料，超高固體分涂料，無溶劑涂料，UV涂料，對于工程機械這樣結構大件來說，水性涂料成為應用在工程機械上的主流產品，因此實現工程機械涂料水性化迫在眉睫。
關鍵詞：水性環氧涂料 ；水性聚氨酯涂料；工程機械；配套性；環境友好；耐鹽霧；耐候性；涂裝工藝；流掛極限；爆破膜厚
Research and Application of Waterborne Engineering Machinery Coatings
Cheng Ming, Li Jie, Wu Quan, Jiang Tao
(COSCO Kansai coating Shanghai Co., Ltd., Shanghai)
Abstract: with the enhancement of people's awareness of environmental protection and the strengthening of national supervision on environmental protection, the traditional solvent\-based coatings are being limited step by step and replaced by more environmentally friendly waterborne coatings, powder coatings, ultra-high solid coatings, solvent\-free coatings and UV coatings. For large structural parts such as construction machinery, Waterborne coatings have become the mainstream products applied in construction machinery, so it is urgent to realize the hydration of construction machinery coatings.
Key words: waterborne epoxy coating; Waterborne polyurethane coating; Construction machinery; Compatibility; Environmentally friendly; Salt spray resistance; Weather resistance; Painting process; Sagging limit; Bursting film thickness
引言
工程機械行業正在面臨油轉水的趨勢，國內工程機械企業競爭激烈，都在進行著廝殺，逐漸形成了以三一重工，徐工，中聯重科，龍工，柳工為首的龍頭企業，并占據著國內90%的市場，工程機械涂料需求量也在逐步增加，未來誰能夠占據像三一重工，徐工，中聯這樣的市場，那么誰就占據了工程機械涂料的整個市場，而現在工程機械涂料正在面臨著水性化，市面上主要還是以水性環氧底漆+水性聚氨酯面漆為主的配套體系作為工程機械大部分結構件的涂裝工藝，因此研究水性環氧底漆，水性聚氨酯面漆成為主要的工作內容。
1.工程機械涂料配套體系需達到的性能要求
表1 工程機械涂料配套性能
序號 |
測試項目 |
技術要求 |
方法 |
備注 |
1 |
漆膜外觀 |
光滑平整 |
目視 |
|
2 |
光澤/60° |
≥90 |
GB/T 9754 |
|
3 |
沖擊性/kg.cm |
≧50 |
GB/T1732 |
|
4 |
硬度 |
≧H |
GB/T 6739
|
|
5 |
韌性/mm |
≤1 |
GB/T 1731
|
|
6 |
25℃，耐水性 |
240h, 漆膜不起泡，不起皺，不剝落，允許輕微失光，變色 |
GB/T 9274(甲法)
|
80-120u |
7 |
0.1N H2SO4 |
48h,漆膜不起泡，不起皺，不剝落，允許輕微失光，變色 |
GB/T 9274(甲法)
|
80-120u |
8 |
0.1N NaOH |
48h,漆膜不起泡，不起皺，不剝落，允許輕微失光，變色 |
GB/T 9274(甲法)
|
80-120u |
9 |
中性鹽霧 |
1000h,漆膜不起泡，不生銹，不剝落，銹蝕寬度≤2mm |
GB/T 1771
|
80-120u |
10 |
耐人工老化 |
氙弧燈2000h,不起泡，不粉化，不剝落，失光≤20%，變色ΔE≤3 |
GB/T 1865 方法 |
80-120u |
2.實驗部分
2.1．實驗用的儀器
表2，實驗所用儀器規格型號
名稱 |
型號及規格 |
生產廠家 |
EN630 INVERTER |
上海天辰現代環境技術有限公司 |
|
電子天平 |
ML6001 |
梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司 |
空氣噴槍 |
W-101 1.3口徑 |
巖田 |
沖擊儀 |
QCJ-120 |
華國精密檢測設備廠 |
烘箱 |
101A-2B |
上海實驗儀器廠有限公司 |
膜厚儀 |
MiniTest 600 |
德國 Elektro Physik |
光澤儀 |
Micro-TRI-gloss 4563 |
BYK |
Q-FOG |
CCT600 |
美國Q-Lab |
Q-SUN |
XC-3-HS |
美國Q-Lab |
2.2. 實驗用的原材料
2.2.1.水性雙組分環氧底漆實驗原材料
表3 水性環氧底漆所用原材料及規格
名稱 |
型號 |
生產廠家 |
3EE104W |
同德 |
|
固化劑1 |
進口 |
|
水性環氧固化劑 |
固化劑2 |
進口 |
水性環氧固化劑 |
固化劑3 |
進口 |
AQ-600 |
蒂斯巴隆 |
|
BYK-190 |
畢克 |
|
BYK-346 |
畢克 |
|
BYK-333 |
畢克 |
|
BYK-028 |
畢克 |
|
A |
國產 |
|
1250目滑石粉 |
AT-1 |
玉東滑石粉 |
800目云母粉 |
GA-4 |
格銳 |
CD-3000 |
鴻運 |
|
MA-100 |
三菱化學 |
|
R-996 |
杜邦 |
|
A |
國產 |
|
PH調節劑 |
AMP-95 |
冠林 |
去離子水 |
自制 |
2.2.2.水性雙組分聚氨酯面漆實驗原材料
表4，水性聚氨酯面漆所用原材料及規格
名稱 |
型號 |
生產廠家 |
A |
國產 |
|
水性羥基丙烯酸樹脂 |
B |
進口 |
水性羥基丙烯酸樹脂 |
C |
國產 |
水性異氰酸固化劑 |
X |
進口 |
水性異氰酸固化劑 |
Y |
進口 |
水性異氰酸固化劑 |
Z |
進口 |
313 |
燈塔 |
|
151 |
科萊恩 |
|
鈦白 |
R-996 |
杜邦 |
助溶劑 |
BCS |
陶氏 |
溶劑 |
PGDA |
陶氏 |
2.3. 實驗配方設計
2.3.1. 水性環氧底漆參考配方
水性環氧底漆配方PVC=30-35%,活潑氫/環氧基團數=0.7
表5，水性環氧底漆設計配方表
名稱 |
配方1/% |
配方2/% |
配方3/% |
|
A 組 份 |
去離子水 |
10-20 |
10-20 |
10-20 |
分散劑 |
0.5-1.5 |
0.5-1.5 |
0.5-1.5 |
|
潤濕劑 |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
PH調節劑 |
0.03-0.05 |
0.03-0.05 |
0.03-0.05 |
|
流變助劑 |
0.2-0.8 |
0.2-0.8 |
0.2-0.8 |
|
1250目滑石粉 |
5-8 |
5-8 |
5-8 |
|
云母粉 |
10-25 |
10-25 |
10-25 |
|
鈦白 |
3-8 |
3-8 |
3-8 |
|
磷酸鋅 |
5-10 |
5-10 |
5-10 |
|
0.03-0.05 |
0.03-0.05 |
0.03-0.05 |
||
3EE104W |
35-40 |
35-40 |
35-40 |
|
流平劑 |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
|
消泡劑 |
0.1-0.5 |
0.1-0.5 |
0.1-0.5 |
|
增稠劑A |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
B 組 分 |
固化劑1 |
40-50 |
||
固化劑 2 |
30-40 |
|||
固化劑 3 |
30-40 |
|||
此配方砂磨細度≤20um,PH調整到7-9，調和粘度KU粘度110-130ku，需用100目濾網過濾。
2.3.2水性聚氨酯面漆參考配方
水性聚氨酯配方PVC=10%-15%,異氰酸摩爾數/羥基摩爾數=1.5
表6 水性聚氨酯面漆設計配方表
名稱 |
配方1/% |
配方2/% |
配方3/% |
|
A 組 分 |
去離子水 |
10-20 |
10-20 |
10-20 |
分散劑 |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
潤濕劑 |
0.3-0.5 |
0.3-0.5 |
0.3-0.5 |
|
PH調節劑劑 |
0.03-0.1 |
0.03-0.1 |
0.03-0.1 |
|
鐵黃313 |
10-15 |
10-15 |
10-15 |
|
鈦白996 |
1-3 |
1-3 |
1-3 |
|
檸檬黃151 |
1-3 |
1-3 |
1-3 |
|
水性樹脂 A |
55-70 |
|||
水性樹脂 B |
55-70 |
|||
水性樹脂 C |
55-70 |
|||
流平劑 |
0.1-0.3 |
0.1-0.3 |
0.1-0.3 |
|
助溶劑 BCS |
2-4 |
2-4 |
2-4 |
|
增稠劑 |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
B 組 分 |
固化劑 X |
50-60 |
50-60 |
50-60 |
固化劑 Y |
50-60 |
50-60 |
50-60 |
|
固化劑 Z |
50-60 |
50-60 |
50-60 |
|
此配方砂磨細度≤10um,PH調整到7-9，調和粘度為涂4杯粘度80-100s，需用200目濾網過濾。
2.4. 工程機械涂料施工工藝
每個公司其實現場情況不一樣，因此施工工藝也有不一樣的，特別是有些現場沒有烘烤線，或為傳統的溶劑性涂裝線，因此也產生了一些新工藝-濕碰濕工藝，由原來三涂三烘變為三涂一烘。雖說三涂一烘工藝為企業提供了更高的生產效率和節省了能耗，但因此產生了許多施工上的一些問題，本節還是以三涂三烘工藝為主。
目前工程機械涂裝工藝如下：工件底材——拋丸處理——清洗——脫脂處理——噴雙組分水性環氧底漆——流平10min——70℃干燥——刮膩子——打磨——吹干——二道水性環氧底漆——流平10min——70℃干燥——噴雙組分水性聚氨酯面漆——流平10min——70℃干燥——下件——養護7d——性能測試——裝件
3.結果分析與討論
3.1.水性環氧底漆三套體系分析
對于水性環氧底漆來說，它的主要作用是與底材相結合，起到保護底材承接面漆的作用，他的一個設計難點在于防腐性要求較高，施工性好，與面漆的配套性要好，成本低，客戶易接受，本文研究了三套不同固化劑制備的不同的三套方案。其中底材為噴砂鋼板，干膜膜厚50-60u,干燥條件：70℃/30min,養護7d,RH=50%。
表7 水性環氧樹脂與不同胺類固化劑說明
原料 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
水性環氧樹脂 |
3EE104W |
3EE104W |
3EE104W |
水性環氧固化劑 |
1 |
2 |
3 |
固化劑類型 |
改性胺類固化劑 |
改性胺類固化劑 |
|
固化劑特點 |
快干型，分子量較小 |
快干型，分子量較小 |
快干型，分子量較大 |
水性環氧底漆三套方案測試結果與性能比較
項目 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
漆膜外觀 |
光滑平整 |
光滑平整 |
光滑平整 |
硬度 |
2H |
2H |
H |
韌性 |
1 |
1 |
1 |
沖擊性 |
50 |
50 |
50 |
耐水性 |
7d |
5d |
10d |
耐鹽霧 |
352h |
255h |
500h |
原材料成本 |
18-20 |
20-25 |
20-30 |
從測試結果來看，配方3防腐性優于配方1和配方2，但其成本最高，配方1成本最低，性能其次。由于不同工程機械客戶要求不一樣，因此對于防腐要求較高的用戶，可以選擇配方3；對于一些防腐性要求不高，但要求成本低的用戶，可以選擇配方1。
3.2.水性雙組分聚氨酯面漆三套方案分析
對于水性聚氨酯面漆，其主要作用是起到裝飾和保護底漆的作用，其要求具有很好的光澤性、飽滿性、鮮影性，一般工程機械大多在戶外作業，因此好的耐候性也是必須的，其設計的難點在于它的高光高鮮影性，還有其爆破膜厚，流掛極限，以及成本等問題。
表8 不同羥基丙烯酸樹脂及固化劑說明
原料 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
水性羥基丙烯酸樹脂 |
A |
B |
C |
羥值 |
66 |
109 |
129 |
固化劑 |
X |
Y |
Z |
固化劑異氰酸含量 |
32% |
32% |
20% |
固化劑類型 |
親油型HDI,三聚體 |
親油型HDI,三聚體 |
磺酸鹽改性親水型HDI |
固化劑特點 |
相溶型差，耐性好，價格低廉 |
相溶型差，耐性好，價格低廉 |
相容性好，光澤高，但價格昂貴 |
表9 水性聚氨酯三個配方測試結果及性能對比
原料 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
烘烤工藝 |
噴涂一道流平10min,70℃/30min,養護7d |
||
涂膜外觀 |
光滑平整 |
光滑平整 |
光滑平整 |
光澤(20°/60°) |
50/78 |
81/91 |
96/99 |
硬度 |
2H |
2H |
H |
附著力/1mm |
1級 |
1級 |
1級 |
沖擊性/kg.cm |
50 |
50 |
50 |
柔韌性/mm |
1 |
1 |
1 |
耐水性/240h |
Ok |
ok |
ok |
耐酸性/48h（0.1N H2SO4） |
ok |
ok |
ok |
耐堿性/48h（0.1N NaOH） |
ok |
ok |
ok |
耐92#汽油/48h |
ok |
ok |
ok |
耐中性鹽霧（配套） |
1000 |
1000 |
1000 |
Q-sun |
1500 |
2000 |
2000 |
活化期/25℃ |
4h,粘度光澤變化不大 |
4h,粘度光澤變化不大 |
4h,粘度光澤變化不大 |
爆破膜厚/70℃ |
110 |
100 |
90 |
原材料成本/元.kg（AB組分混合） |
23 |
28 |
32 |
面漆為單層測試，膜厚為40-60um,T:70℃/30min，RT=50%
從測試結果來看，配方3性能優于配方2，配方2性能優于配方1，因此對于外觀，光澤要求比較高的工程機械客戶，可以選擇面漆配方3，對于要求一般的客戶可以選擇配方2，對于一些外觀要求底的客戶可以選擇配方1，工程機械每個客戶都能從這三套方案選擇自己適合的產品。
對于一些配套產品，每個客戶也是可以有自己的一個定位，對于一些既要求高的防腐性又又要求高光澤外觀的工程機械客戶，可以選選擇底漆配方3+面漆配方3體系，對于一些要求一般的客戶，可以選擇底漆配方1+面漆配方2體系，還有一些要求快干，快節湊，外觀要求低，成本低的客戶，可以選擇底漆配方2+面漆配方。
4.結語
隨著水性涂料及涂裝技術的不斷發展，水性涂料在工程機械方面將得到大力的應用和發展，低環保，低VOC，環境友好型將成為工程機械涂料的重點發展方向，傳統的溶劑型涂料將被逐步取代，工程機械客戶也希望我們能夠提供越來越優秀的產品，從而推動整個行業的發展，為全球環保做出貢獻。
參考文獻：
[1]. 王文春.水性涂料“濕碰濕”涂裝在工程機械結構件上的實踐，技術與經驗交流
[2]. 胡小峰，邱旭煒，汪鵬飛，劉高峰，水性工程機械涂料的研發與討論，涂層與防護， 2018.11
[3]. 張景斌，徐杰，顧廣新，汪旭猛的水性工程機械涂料與涂裝研究進展
[4]. 武玲，彭順金，顧廣新，徐杰，水性涂料在工程機械涂料中的應用，涂料工業， 2019,1
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