程明，李杰，吴权，江涛
（中远关西涂料上海有限公司 上海市）
摘要：随着人民对环保意识的增强，以及国家对环保监管力度的加大，传统的溶剂型涂料正在一步步被限制，取而代之的是更环保的水性涂料，粉末涂料，超高固体分涂料，无溶剂涂料，UV涂料，对于工程机械这样结构大件来说，水性涂料成为应用在工程机械上的主流产品，因此实现工程机械涂料水性化迫在眉睫。
关键词：水性环氧涂料 ；水性聚氨酯涂料；工程机械；配套性；环境友好；耐盐雾；耐候性；涂装工艺；流挂极限；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
工程机械行业正在面临油转水的趋势，国内工程机械企业竞争激烈，都在进行着厮杀，逐渐形成了以三一重工，徐工，中联重科，龙工，柳工为首的龙头企业，并占据着国内90%的市场，工程机械涂料需求量也在逐步增加，未来谁能够占据像三一重工，徐工，中联这样的市场，那么谁就占据了工程机械涂料的整个市场，而现在工程机械涂料正在面临着水性化，市面上主要还是以水性环氧底漆+水性聚氨酯面漆为主的配套体系作为工程机械大部分结构件的涂装工艺，因此研究水性环氧底漆，水性聚氨酯面漆成为主要的工作内容。
1.工程机械涂料配套体系需达到的性能要求
表1 工程机械涂料配套性能
序号 |
测试项目 |
技术要求 |
方法 |
备注 |
1 |
漆膜外观 |
光滑平整 |
目视 |
|
2 |
光泽/60° |
≥90 |
GB/T 9754 |
|
3 |
冲击性/kg.cm |
≧50 |
GB/T1732 |
|
4 |
硬度 |
≧H |
GB/T 6739
|
|
5 |
韧性/mm |
≤1 |
GB/T 1731
|
|
6 |
25℃，耐水性 |
240h, 漆膜不起泡，不起皱，不剥落，允许轻微失光，变色 |
GB/T 9274(甲法)
|
80-120u |
7 |
0.1N H2SO4 |
48h,漆膜不起泡，不起皱，不剥落，允许轻微失光，变色 |
GB/T 9274(甲法)
|
80-120u |
8 |
0.1N NaOH |
48h,漆膜不起泡，不起皱，不剥落，允许轻微失光，变色 |
GB/T 9274(甲法)
|
80-120u |
9 |
中性盐雾 |
1000h,漆膜不起泡，不生锈，不剥落，锈蚀宽度≤2mm |
GB/T 1771
|
80-120u |
10 |
耐人工老化 |
氙弧灯2000h,不起泡，不粉化，不剥落，失光≤20%，变色ΔE≤3 |
GB/T 1865 方法 |
80-120u |
2.实验部分
2.1．实验用的仪器
表2，实验所用仪器规格型号
名称 |
型号及规格 |
生产厂家 |
EN630 INVERTER |
上海天辰现代环境技术有限公司 |
|
电子天平 |
ML6001 |
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司 |
空气喷枪 |
W-101 1.3口径 |
岩田 |
冲击仪 |
QCJ-120 |
华国精密检测设备厂 |
烘箱 |
101A-2B |
上海实验仪器厂有限公司 |
膜厚仪 |
MiniTest 600 |
德国 Elektro Physik |
光泽仪 |
Micro-TRI-gloss 4563 |
BYK |
Q-FOG |
CCT600 |
美国Q-Lab |
Q-SUN |
XC-3-HS |
美国Q-Lab |
2.2. 实验用的原材料
2.2.1.水性双组分环氧底漆实验原材料
表3 水性环氧底漆所用原材料及规格
名称 |
型号 |
生产厂家 |
3EE104W |
同德 |
|
固化剂1 |
进口 |
|
水性环氧固化剂 |
固化剂2 |
进口 |
水性环氧固化剂 |
固化剂3 |
进口 |
AQ-600 |
蒂斯巴隆 |
|
BYK-190 |
毕克 |
|
BYK-346 |
毕克 |
|
BYK-333 |
毕克 |
|
BYK-028 |
毕克 |
|
A |
国产 |
|
1250目滑石粉 |
AT-1 |
玉东滑石粉 |
800目云母粉 |
GA-4 |
格锐 |
CD-3000 |
鸿运 |
|
MA-100 |
三菱化学 |
|
R-996 |
杜邦 |
|
A |
国产 |
|
PH调节剂 |
AMP-95 |
冠林 |
去离子水 |
自制 |
2.2.2.水性双组分聚氨酯面漆实验原材料
表4，水性聚氨酯面漆所用原材料及规格
名称 |
型号 |
生产厂家 |
A |
国产 |
|
水性羟基丙烯酸树脂 |
B |
进口 |
水性羟基丙烯酸树脂 |
C |
国产 |
水性异氰酸固化剂 |
X |
进口 |
水性异氰酸固化剂 |
Y |
进口 |
水性异氰酸固化剂 |
Z |
进口 |
313 |
灯塔 |
|
151 |
科莱恩 |
|
钛白 |
R-996 |
杜邦 |
助溶剂 |
BCS |
陶氏 |
溶剂 |
PGDA |
陶氏 |
2.3. 实验配方设计
2.3.1. 水性环氧底漆参考配方
水性环氧底漆配方PVC=30-35%,活泼氢/环氧基团数=0.7
表5，水性环氧底漆设计配方表
名称 |
配方1/% |
配方2/% |
配方3/% |
|
A 组 份 |
去离子水 |
10-20 |
10-20 |
10-20 |
分散剂 |
0.5-1.5 |
0.5-1.5 |
0.5-1.5 |
|
润湿剂 |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
PH调节剂 |
0.03-0.05 |
0.03-0.05 |
0.03-0.05 |
|
流变助剂 |
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 |
|
钛白 |
3-8 |
3-8 |
3-8 |
|
磷酸锌 |
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 |
|
流平剂 |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
|
消泡剂 |
0.1-0.5 |
0.1-0.5 |
0.1-0.5 |
|
增稠剂A |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
B 组 分 |
固化剂1 |
40-50 |
||
固化剂 2 |
30-40 |
|||
固化剂 3 |
30-40 |
|||
此配方砂磨细度≤20um,PH调整到7-9，调和粘度KU粘度110-130ku，需用100目滤网过滤。
2.3.2水性聚氨酯面漆参考配方
水性聚氨酯配方PVC=10%-15%,异氰酸摩尔数/羟基摩尔数=1.5
表6 水性聚氨酯面漆设计配方表
名称 |
配方1/% |
配方2/% |
配方3/% |
|
A 组 分 |
去离子水 |
10-20 |
10-20 |
10-20 |
分散剂 |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
润湿剂 |
0.3-0.5 |
0.3-0.5 |
0.3-0.5 |
|
PH调节剂剂 |
0.03-0.1 |
0.03-0.1 |
0.03-0.1 |
|
铁黄313 |
10-15 |
10-15 |
10-15 |
|
钛白996 |
1-3 |
1-3 |
1-3 |
|
柠檬黄151 |
1-3 |
1-3 |
1-3 |
|
水性树脂 A |
55-70 |
|||
水性树脂 B |
55-70 |
|||
水性树脂 C |
55-70 |
|||
流平剂 |
0.1-0.3 |
0.1-0.3 |
0.1-0.3 |
|
助溶剂 BCS |
2-4 |
2-4 |
2-4 |
|
增稠剂 |
0.3-1 |
0.3-1 |
0.3-1 |
|
B 组 分 |
固化剂 X |
50-60 |
50-60 |
50-60 |
固化剂 Y |
50-60 |
50-60 |
50-60 |
|
固化剂 Z |
50-60 |
50-60 |
50-60 |
|
此配方砂磨细度≤10um,PH调整到7-9，调和粘度为涂4杯粘度80-100s，需用200目滤网过滤。
2.4. 工程机械涂料施工工艺
每个公司其实现场情况不一样，因此施工工艺也有不一样的，特别是有些现场没有烘烤线，或为传统的溶剂性涂装线，因此也产生了一些新工艺-湿碰湿工艺，由原来三涂三烘变为三涂一烘。虽说三涂一烘工艺为企业提供了更高的生产效率和节省了能耗，但因此产生了许多施工上的一些问题，本节还是以三涂三烘工艺为主。
目前工程机械涂装工艺如下：工件底材——抛丸处理——清洗——脱脂处理——喷双组分水性环氧底漆——流平10min——70℃干燥——刮腻子——打磨——吹干——二道水性环氧底漆——流平10min——70℃干燥——喷双组分水性聚氨酯面漆——流平10min——70℃干燥——下件——养护7d——性能测试——装件
3.结果分析与讨论
3.1.水性环氧底漆三套体系分析
对于水性环氧底漆来说，它的主要作用是与底材相结合，起到保护底材承接面漆的作用，他的一个设计难点在于防腐性要求较高，施工性好，与面漆的配套性要好，成本低，客户易接受，本文研究了三套不同固化剂制备的不同的三套方案。其中底材为喷砂钢板，干膜膜厚50-60u,干燥条件：70℃/30min,养护7d,RH=50%。
表7 水性环氧树脂与不同胺类固化剂说明
原料 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
水性环氧树脂 |
3EE104W |
3EE104W |
3EE104W |
水性环氧固化剂 |
1 |
2 |
3 |
固化剂类型 |
改性胺类固化剂 |
改性胺类固化剂 |
|
固化剂特点 |
快干型，分子量较小 |
快干型，分子量较小 |
快干型，分子量较大 |
水性环氧底漆三套方案测试结果与性能比较
项目 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
漆膜外观 |
光滑平整 |
光滑平整 |
光滑平整 |
硬度 |
2H |
2H |
H |
韧性 |
1 |
1 |
1 |
冲击性 |
50 |
50 |
50 |
耐水性 |
7d |
5d |
10d |
耐盐雾 |
352h |
255h |
500h |
原材料成本 |
18-20 |
20-25 |
20-30 |
从测试结果来看，配方3防腐性优于配方1和配方2，但其成本最高，配方1成本最低，性能其次。由于不同工程机械客户要求不一样，因此对于防腐要求较高的用户，可以选择配方3；对于一些防腐性要求不高，但要求成本低的用户，可以选择配方1。
3.2.水性双组分聚氨酯面漆三套方案分析
对于水性聚氨酯面漆，其主要作用是起到装饰和保护底漆的作用，其要求具有很好的光泽性、饱满性、鲜影性，一般工程机械大多在户外作业，因此好的耐候性也是必须的，其设计的难点在于它的高光高鲜影性，还有其爆破膜厚，流挂极限，以及成本等问题。
表8 不同羟基丙烯酸树脂及固化剂说明
原料 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
水性羟基丙烯酸树脂 |
A |
B |
C |
羟值 |
66 |
109 |
129 |
固化剂 |
X |
Y |
Z |
固化剂异氰酸含量 |
32% |
32% |
20% |
固化剂类型 |
亲油型HDI,三聚体 |
亲油型HDI,三聚体 |
磺酸盐改性亲水型HDI |
固化剂特点 |
相溶型差，耐性好，价格低廉 |
相溶型差，耐性好，价格低廉 |
相容性好，光泽高，但价格昂贵 |
表9 水性聚氨酯三个配方测试结果及性能对比
原料 |
配方1 |
配方2 |
配方3 |
烘烤工艺 |
喷涂一道流平10min,70℃/30min,养护7d |
||
涂膜外观 |
光滑平整 |
光滑平整 |
光滑平整 |
光泽(20°/60°) |
50/78 |
81/91 |
96/99 |
硬度 |
2H |
2H |
H |
附着力/1mm |
1级 |
1级 |
1级 |
冲击性/kg.cm |
50 |
50 |
50 |
柔韧性/mm |
1 |
1 |
1 |
耐水性/240h |
Ok |
ok |
ok |
耐酸性/48h（0.1N H2SO4） |
ok |
ok |
ok |
耐碱性/48h（0.1N NaOH） |
ok |
ok |
ok |
耐92#汽油/48h |
ok |
ok |
ok |
耐中性盐雾（配套） |
1000 |
1000 |
1000 |
Q-sun |
1500 |
2000 |
2000 |
活化期/25℃ |
4h,粘度光泽变化不大 |
4h,粘度光泽变化不大 |
4h,粘度光泽变化不大 |
爆破膜厚/70℃ |
110 |
100 |
90 |
原材料成本/元.kg（AB组分混合） |
23 |
28 |
32 |
面漆为单层测试，膜厚为40-60um,T:70℃/30min，RT=50%
从测试结果来看，配方3性能优于配方2，配方2性能优于配方1，因此对于外观，光泽要求比较高的工程机械客户，可以选择面漆配方3，对于要求一般的客户可以选择配方2，对于一些外观要求底的客户可以选择配方1，工程机械每个客户都能从这三套方案选择自己适合的产品。
对于一些配套产品，每个客户也是可以有自己的一个定位，对于一些既要求高的防腐性又又要求高光泽外观的工程机械客户，可以选选择底漆配方3+面漆配方3体系，对于一些要求一般的客户，可以选择底漆配方1+面漆配方2体系，还有一些要求快干，快节凑，外观要求低，成本低的客户，可以选择底漆配方2+面漆配方。
4.结语
随着水性涂料及涂装技术的不断发展，水性涂料在工程机械方面将得到大力的应用和发展，低环保，低VOC，环境友好型将成为工程机械涂料的重点发展方向，传统的溶剂型涂料将被逐步取代，工程机械客户也希望我们能够提供越来越优秀的产品，从而推动整个行业的发展，为全球环保做出贡献。
参考文献：
[1]. 王文春.水性涂料“湿碰湿”涂装在工程机械结构件上的实践，技术与经验交流
[2]. 胡小峰，邱旭炜，汪鹏飞，刘高峰，水性工程机械涂料的研发与讨论，涂层与防护， 2018.11
[3]. 张景斌，徐杰，顾广新，汪旭猛的水性工程机械涂料与涂装研究进展
[4]. 武玲，彭顺金，顾广新，徐杰，水性涂料在工程机械涂料中的应用，涂料工业， 2019,1
(0)
