水性工程机械涂料“湿碰湿”配方设计和应用研究

作者|  朱远 黄山联固新材料科技有限公司

近年来,我国一系列环保政策出台,水性涂料在金属涂装市场的份额不断提高,尤其是工程机械领域,三一重工、中联重科等等工程机械巨头纷纷上线水性涂料。工程机械涂层一般为“环氧底漆+聚氨酯面漆“两涂层体系,基于加快生产节拍、节能减排、减少人力等等的考虑,越来越多工程机械涂装线将传统的两喷两烤(2C2B)改成了两喷一烤(2C1B):在环氧底漆未完全干透时喷上聚氨酯面漆,再进行烘烤,即所谓的“湿碰湿”。[1-3]

工程机械涂料“湿碰湿”工艺对水性漆的应用提出了很大的挑战。由于水的挥发潜热大,水性环氧底漆普遍慢干,在“湿的”环氧上喷上聚氨酯面漆,一方面环氧漆内的气泡未逸出就罩面漆,底漆内的气泡顶起表干的面层,面漆易起痱子,如图1所示;另一方面,环氧底漆的固化剂(脂肪胺)会优先和聚氨酯面漆的固化剂(异氰酸酯)发生反应,使得底漆和面漆都无法充分固化,性能变差。



图1“湿碰湿”面漆起痱子

本文以联固化学的快干环氧乳液Banco2092、快干环氧固化剂920、羟丙分散体Uacryl2150、异氰酸酯固化剂Uahard3596T为基料,开发了15min“湿碰湿”外观和性能均良好的水性工程机械底漆和面漆涂料配方。

实验部分


实验原料

表1 实验原材料表


涂料制备

将去离子水和多聚硅酸镁铝高速搅拌20min,再将分散剂润湿剂消泡剂依次加入分散缸中,搅拌均匀,边搅拌边加入填料,中速分散20分钟,研磨至细度25μm以下,转入调漆缸,边搅拌边加入树脂成膜助剂、润湿剂,最后用增稠剂调整粘度。配方见表2和3。


表2 水性环氧底漆配方


表3 水性聚氨酯面漆配方


结果与讨论


水性环氧树脂的选择

“湿碰湿”需要环氧底漆在室温下快速表干,这样一方面有利于底漆内气泡的快速逸出,一方面也有利于脂肪胺分子的初步“锚定”,减少和异氰酸固化剂的反应。因此选用E20大分子环氧乳化的产品:Banco2092和竞品1、2、3。对比指触干时间,并进行15min“湿碰湿”测试。湿碰湿工艺见图2。温湿度控制在23℃50%RH,底漆面漆干膜厚度40-50um,结果见表4。

图2 “湿碰湿”工艺流程


表4 Banco2092和竞品1、2、3“湿碰湿”测试对比


由表4知,竞品1和Banco2092表干最快,15min“湿碰湿”后面漆光泽高,无痱子,但是竞品1干得太快,成膜性不佳,喷涂时容易在板的边缘开裂,见图3,从而影响了面漆的表观。而竞品2、3表干太慢,15min“湿碰湿”,面漆很多痱子,而且光泽不高。

图3  竞品1喷涂开裂现象


树脂是涂料的主要成膜物质,决定了涂膜的主要性能。Banco2092在乳液合成的过程中使用了反应型乳化剂。如图4所示,反应型乳化剂分子通过共价键键合在乳胶粒表面,相对于使用传统乳化剂,其乳液的稳定性更好,成膜速度更快。而且由于成膜后反应型乳化剂不会向界面迁移,在空气-涂膜界面和基材-涂膜界面不会出现连续亲水层,涂膜致密程度更高,疏水性和附着力更强。

图4 Banco2092结构示意图

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水性环氧固化剂的选择和优化



环氧固化剂种类对交联反应速度至关重要,影响了涂层的表干时间和初期硬度的建立。通常,为延长水性聚氨酯面漆的开放时间,使NCO和水反应出的CO2充分逸出,减少起痱子的风险,面漆里会加入大量的慢干溶剂。而在“湿碰湿”时,如果环氧底漆初期硬度不高,面漆的慢干溶剂容易对底漆“咬蚀”,影响面漆外观。这里选用两种水分散形式类型的固化剂,进行湿碰湿的对比,结果见表5。可知,Banco920和竞品1干燥速度较快,“湿碰湿”后面漆无痱子,也不咬底。这是因为分散体型的胺通常疏水亲油,加入环氧乳液时,由于亲油,固化剂会迅速“钻”进乳胶粒里发生交联反应,从而有较快的干燥速度。此外,Banco920含环,固化剂初期硬度也较高,可减少面漆溶剂“咬蚀”风险。



表5 Banco920和竞品1、2、3“湿碰湿”测试对比


为了提升干燥速度,在做油性环氧时,通常会在固化剂中混入一定量的叔胺类促进剂K54。但K54通常不溶于水性固化剂中。为此,选用Banco920和竞品1进行K54的干燥速度和存储测试对比,结果见表6。可知Banco920和K54相容性较好,长期存储无硬沉无析出。添加K54可以进一步缩短表干时间,添加量越大干燥速度越快。Banco920可添加K54意味着,固化剂的干燥速度可以进行有效调整。

表6 Banco920和竞品1添加K54测试对比


羟丙分散体的选择

“湿碰湿”易产生痱子,选择无泡膜厚高的羟丙分散体是基本原则。这里选用Uacryl2150、竞品1、竞品2对比,测试其在流平10min,60℃烘烤30min工艺下的无泡膜厚以及“湿碰湿”效果,结果见表7。可知,Uacryl2150的无泡膜厚最大,“湿碰湿”不易起痱子。

表7 Uacryl2150和竞品1、2、3“湿碰湿”测试对比


如图5示意图,羟丙分散体一般为核壳结构,树脂本体被辅助溶剂包裹,而Uacryl2150相对普通分散体多了很多从树脂核向外伸出的位阻基团,这些大分子的位阻基团可以在涂层完全实干之前,留有一定的微观通道,让剩余的溶剂和水有充分的时间外逸,从而使得Uacryl2150厚涂不易起痱子,面漆得到更好的流平和表面效果。

图5 Uacryl2150结构示意图


配方优化以及工艺调整

工程机械大多是喷砂钢件,本身底材不平整,涂层在上面也难达到平整,所以通常比较关注面漆60°角光泽。但随着客户对外观要求越来越高,尤其是在一些平板钢件上,如槽罐车、环卫车上,对面漆20度光泽也提出了很高的要求。从“湿碰湿”工艺的角度出发,底漆不打磨就上面漆,底漆的平整度和表面状况势必会对面漆的外观,尤其是20°光泽带来影响。



通过上面树脂和固化剂筛选,“湿碰湿”最优方案确定:Banco2092+Banco920为快干环氧底漆、Uacryl2150+Uahard3596T为聚氨酯面漆。为了提高底漆平整度,在底漆配方中加入少量的强流平剂Addsil3076。


底漆配方中填料占的比重很大,填料的种类对底漆的表面状况和耐性有很大的影响。为此,筛选不同填料,观察底漆填料对“湿碰湿”面漆光泽的影响,结果见表8。可知,底漆填料吸油量越大,面漆20°光泽越低,面漆在含有填料1的底漆有“雾蒙蒙”的外观,这可能跟底漆表面比较粗糙,填料对面漆“吸光”有关。考虑到填料1的片状结构对腐蚀介质有物理屏蔽作用,可增加耐盐雾性能,将填料1和填料3进行复配,吸油量降低,“湿碰湿”面漆20°光泽可达到83,最终“湿碰湿”后的表面效果见图6,面漆光泽和表面状况基本和单层面漆无异。

表8 底漆填料对“湿碰湿”面漆光泽的影响


图6  湿碰湿最终效果图


为了进一步提高底漆的表干时间,固化剂Banco920用乙醇开稀,结果发现,底漆喷出来有橘皮的效果,使得面漆也变橘,见图7。这可能是因为乙醇干燥太快,喷涂时会迅速挥发,影响了底漆的流平性,所以在表面效果要求高的场合,用乙醇开稀固化剂不可取。

  图7  面漆橘皮照片


性能测试


对Banco2092+Banco920快干环氧单层底漆,以及它和Uacryl2150+Uahard3596T聚氨酯面漆“湿碰湿”后的复合层进行性能测试,结果见表9和10,耐盐雾照片见图9。可见,该底面配套能满足大部分工程机械涂料的性能要求。

表9 Banco2092+Banco920快干环氧底漆性能测试


表10 Banco2092+Banco920/Uacryl2150+Uahard3596T湿碰湿性能测试


图9 耐盐雾测试照片


 结  语

选用联固化学的快干环氧树脂和固化剂Banco2092+Banco920,无泡膜厚高、鲜映性好的羟丙分散体Uacryl2150+Uahard3596T,混入环氧叔胺促进剂K54,筛选填料,优化配方,我们开发了可适合15min“湿碰湿”工艺、外观优秀、性能良好的水性环氧底漆和聚氨酯面漆配方。“湿碰湿”复合层20°光泽>80,60°光泽>90,冷轧钢板耐盐雾720h,喷砂钢板耐盐雾1000h,耐热油性好,耐温变好。该方案对有水性环氧底聚氨酯面“湿碰湿”需求的工程机械涂装客户来说是一个较好的选择。



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