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“湿碰湿”水性涂料的制备及在工程机械结构件上应用

来源:2020(第18届)中国车用涂料与涂装年会论文集  ·  时间:2021-09-17 14:48:33  ·  527 浏览

本文作者:王文春,黄腾

为达到环保要求从源头控制减少涂装过程的VOCs排放,水性涂料作为4类低VOCs涂料在工程机械行业越来越广泛应用并成为发展方向之一。从安全环保、涂层性能、能源消耗、实施难易程度、综合成本及投资等方面综合分析,水性涂料具有不燃不爆,在储运、施工等过程无火灾危险,作业过程中对人体伤害小更加安全等优势。而水性涂料“湿碰湿”相比传统“两喷两烘”简化了工艺过程,取消了底漆烘干,节约了底漆烘干能源消耗费用,缩短涂装作业周期,提高了作业效率,降低生产成本。同时涂装生产线减短,生产单元需求面积相对减少。面对挖掘机等工程机械产品需求的持续增长和制造成本压力,水性涂料“湿碰湿”在节能减排方面具有较强的推广应用意义,可获得良好的经济效益。

1 工程机械结构件所用涂料涂层要求

工程机械的设计使用年限一般为8~15a,参考标准GB/T30790—2014《色漆和清漆防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护》,一般认为工程机械所处的工作环境属于大气腐蚀环境中的C3(中等)或C4(高)等级,工程机械的防腐设计属于中期(M)耐久性。此外,市场和用户对工程机械产品外观质量需求逐步提高,因此工程机械产品涂层要求应具有较好的装饰性、良好的机械性能、优良的防腐蚀性和耐候性。

为满足工程机械结构件涂层要求,双组分环氧底漆、双组分聚氨酯面漆为最为常见且成熟的涂层配套体系。环氧底漆是以环氧树脂为主要成膜物质的涂料,环氧树脂分子链中没有酯键,含有极性很强的大量醚键和羟基,而且2个刚性的芳环和较高的玻璃化温度屏蔽了醚键和羟基,漆膜固化后形成网状的三维结构,具有极佳的附着力,耐腐蚀性和耐化学品性能优异。双组分聚氨酯面漆基料主要为含有羟基的丙烯酸树脂,固化剂为脂肪族二异氰酸脂类,两者反应产生大量氨基甲酸酯链节,形成涂膜具有优良的耐老化和外观装饰性能。同时为提高外观质量,需对工程机械结构件主要外观面补刮原子灰,填补前道工序造成的工件表面划伤、磕碰、花斑等缺陷。

2 工程机械结构件用“湿碰湿”水性涂料配方设计注意事项

采用“湿碰湿”工艺底漆、面漆应为相似或相同组分,具有良好的配套性。底漆、面漆全部为聚氨酯体系则较为常见和成熟。底漆为环氧体系,面漆为聚氨酯体系虽可采用“湿碰湿”的方法,但双组分聚氨酯面漆所用固化剂(异氰酸酯)易与双组分环氧底漆使用的固化剂(聚酰胺)发生反应,因此“湿碰湿”涂装时容易出现涂层外观及性能不佳等问题。从涂料配方设计角度考虑会重点关注以下内容。

2.1 环氧底漆的配方设计

水性环氧树脂一般选择环氧当量在500g/eq(基于固体)左右的双酚A型环氧乳液,水性环氧固化剂则会有改性脂肪胺、聚胺加成物、改性环氧-胺加成物等多种结构类型可供选择。针对底面“湿碰湿”工艺,一般优选相对分子质量较大(可呈乳液状)的改性环氧-胺加成物结构的固化剂。固化剂分子中引入环氧树脂链段可以提高固化剂与环氧树脂的相容性,大的相对分子质量有利于底漆的快速表干并阻止底漆固化剂向面漆层中运动迁移,这样可以弱化环氧固化剂与面漆异氰酸酯固化剂之间的副反应,从而保证复合涂层的良好外观和优异的盐雾、耐候性能。

环氧树脂中环氧基团与固化剂中活泼氢的理论摩尔比建议控制在1∶0.7左右(环氧基团过量)。水性环氧体系是乳胶粒子集中堆积并与固化剂分子进行渗透反应,交联过程与溶剂型体系不同,因此不能参照溶剂型体系常见的1∶1配比来设计漆固比例。实验证实水性环氧体系在1∶0.7(环氧基团过量)配比下复合涂层的综合性能最优。当然,此配比下环氧固化剂相对环氧树脂的量是不足的,在一定程度上也有助于弱化环氧固化剂与面漆异氰酸酯固化剂之间的副反应。

由于水的表面张力(γ=72.8mN/m)远远大于常规溶剂的表面张力(如二甲苯γ=30mN/m),因此在设计水性底漆配方时一定要注意底材润湿问题,一方面需要在配方中加入足量的基材润湿助剂,另一方面也可考虑加入少量溶解力强的助溶剂,通过降低成膜过程中环氧树脂(已由水相转变为溶剂相)的黏度来提升底材润湿。此外,实验还发现配方中加入合适的水性硅烷偶联剂(含环氧或氨基官能团)有助于提升水性底漆的耐盐雾和耐水性能,但一定要注意充分考察配方的贮存稳定性。

2.2 聚氨酯面漆的配方设计

水性聚氨酯面漆的树脂一般选择羟基丙烯酸的二级分散体,固化剂一般选择磺酸盐或聚醚改性的亲水型HDI(六亚甲基二异氰酸酯)固化剂。漆膜表面出现爆孔(“痱子”)缺陷为底面“湿碰湿”涂装工艺最常遇到的施工问题之一,因此如何设计面漆配方延长漆膜表干时间对于提升复合涂层爆孔极限至关重要。一般来讲,在树脂选定的前提下,复配低黏度疏水型HDI固化剂是提升爆孔极限的有效途径之一,而通过设计高沸点助溶剂的挥发梯度和引入合适的功能性消泡助剂,同样可以实现复合涂层爆孔极限的提升。

羟丙树脂中羟基(OH)与固化剂中异氰酸酯基(NCO)的理论摩尔比建议控制在1∶1.3左右(NCO过量)。与前面提到的水性环氧体系的乳胶粒子集中堆积交联过程类似,水性聚氨酯体系的交联过程与溶剂型体系不同,同样不能参照溶剂型体系常见的1∶1配比来设计漆固比例。特别是考虑到水性聚氨酯体系中固化剂会和水发生副反应生成聚脲副产物并产生二氧化碳气体,因此,配方中水性固化剂一定是需要适当过量的,实验证实水性聚氨酯体系在1∶1.3(NCO过量)配比下复合涂层的综合性能最优。当然,从这里的描述也不难理解,水性体系中会有副产物二氧化碳气体生成,故水性聚氨酯体系的爆孔极限比溶剂型体系差,而配方中引入合适的消泡助剂(包括抑泡剂、脱泡剂)会对提升爆孔极限有一定的帮助。

此外,考虑到水的低挥发速率和高汽化潜热,水性涂料在施工过程中极易出现流挂问题。由于水分子的强氢键作用力,使得水性涂料的黏度、触变行为与溶剂型涂料有显著差异。一般来讲,理想中的水性涂料黏度特性为:低剪切力下黏度高有助于贮存稳定;高剪切力下黏度低有助于雾化流平;闪干过程中触变性很快恢复不易流挂。因此,在水性聚氨酯面漆配方中需要筛选合适的流变助剂,可通过几种非离子缔合型流变助剂(提供不同剪切黏度)的搭配使用,在不影响漆膜外观和性能的前提下,优化配方的黏度和触变行为,从而实现水性面漆良好的抗流挂和施工性。

3 “湿碰湿”水性涂料在结构件上的现场实践

通过对所制备水性双组分环氧底漆和水性双组分聚氨酯面漆进行实验室模拟、样板施工性验证,结合溶剂型涂料“湿碰湿”工艺流程,确定“湿碰湿”水性涂料工艺流程为:上件→遮蔽防护→除油→自动抛丸→人工清理→腻子修补→打磨→预热→喷底漆→喷面漆→流平→烘干→下件。水性涂料相比溶剂型涂料存在表面张力大、汽化潜热大、水分挥发受施工环境温度及湿度影响明显等因素,存在不确定的风险。“湿碰湿”水性涂料在结构件上的实践关键点介绍如下:

3.1 涂装前处理

工程机械结构件以厚度≥5mm热板焊接为主,一般采用自动抛丸的方式进行除锈、除氧化皮处理。结构件在焊接、加工等过程中使用的防飞溅剂、切削液等导致工件表面存在大量油污,水表面张力约为常用有机溶剂的2.5倍,对底材的表面润湿性差,尤其是油水间极性相差大,如工件表面有少量油污极易产生缩孔、附着力差等问题。因此,抛丸前需进行更加严格的表面除油处理措施。水性涂料涂装过程中对底材表面清洁度要求更高,需严格控制使工件表面清洁度达到0-1级(GB/T18570.3—2005),喷射清理等级达到Sa2.5级(GB/T8923.1—2011)要求,且抛丸后4h以内必须喷漆,防止二次锈蚀或污染。

3.2 预热

水性涂料相比溶剂型涂料喷涂更易流挂,结构件表面温度须高于空气露点温度3 ℃。为满足冬季施工要求,需对结构件进行预热以提高工件表面温度。一方面可防止水性底漆喷涂易流挂问题,另一方面促进水性底漆表干,减少底面漆“湿碰湿”之间闪干时间,提高生产效率。根据现场实际情况在喷漆室前新增预热室,采用热风对流循环对结构件表面进行加热,为减少热量交换的热损失,采用效率相对较高的直燃式天然气加热方式。经验证工件表面预热温度以(30±5)℃为宜,过高的温度会影响底漆的流平和固化反应,可能产生起泡、干喷等缺陷,同时浪费烘烤能源。

3.3 底、面漆喷涂

水的汽化潜热为一般有机溶剂的5~7倍,较有机溶剂蒸发慢,且其挥发速度受环境湿度、温度等因素影响明显,为防止喷涂产生流挂、光泽不良等质量问题,对喷漆室的温度、湿度、风速等环境参数要求更加严格,喷漆室最佳环境为温度(25±2)℃、相对湿度(50±5)%、风速0.3~0.5m/s。水从液态变为水蒸气其体积膨胀约1250倍,使喷漆室中的湿度升高,当湿度达到80%以上或温度低于15℃,水分挥发速度明显下降,喷涂过程中极易产生流挂影响涂装质量,因此要确保喷漆室送、排风系统运行正常,良好通风能够使涂装过程中产生的水分及时排出,且在温度低于15℃时应打开空调加热系统。

双组分水性涂料相比溶剂型涂料活化期更短,同时为提高双组分涂料调配精度,水性涂料采用了气动中高压柱塞泵供漆的2K自动调配系统进行调配,喷涂采用投资成本低、传递效率高且雾化效果好的空气辅助无气喷枪。设置气动中高压柱塞泵进气压力0.20~0.50MPa,喷枪进气(雾化)压力0.10~0.25MPa,底漆喷涂喷枪使用413喷嘴,面漆使用411喷嘴。

在喷漆室第一工位喷涂水性底漆,第二工位“湿碰湿”喷涂水性面漆。底面漆喷涂采用相同的施工要求,按先复杂面后简单面,先里后外、先左后右、先上后下,先次要面后主要面的顺序人工喷涂。喷涂作业操作过程中,需按照喷涂距离为20~30cm,喷枪运行速度为40~60cm/s,扇幅搭接1/4~1/3的作业要点运枪,且喷枪移动时应保持与工件表面垂直。

实现水性双组分环氧底漆和水性双组分聚氨酯面漆“湿碰湿”涂装的关键是对水性环氧底漆干燥速度的控制和两道涂层干湿程度的把握。同时“湿碰湿”涂装过程中应注意控制底漆及面漆厚度,在流平及闪干时间确定的前提下,底漆宜薄喷,面漆厚喷。如底漆过薄,漆膜机械性能和耐化学品、耐盐雾性能变差,如底漆漆膜过厚,会造成底漆中水分挥发不完全,导致复合涂层在固化过程中出现针孔,气泡和流挂等缺陷。在满足涂层性能的基础上,经现场验证确定底漆干膜厚度约为(45±5)μm,面漆湿膜厚度约为(55±5)μm较为适宜。

3.4 闪干及流平

喷涂过程中水性涂料水分挥发量相比溶剂型涂料挥发量较少,为保证水性底漆水分能够充分挥发,防止胺类底漆固化剂与“湿碰湿”异氰酸酯面漆固化剂发生反应,以及避免后道工序喷涂面漆漆面流挂,因此充足的闪干时间非常重要,也利于胺类固化剂与环氧树脂充分交联反应。由于现喷漆室仅有底漆、面漆两个工位,因此底漆后闪干采用工位停留等待的方式,底漆喷涂后闪干10min以上达到表干无水渍状态后再喷涂面漆。

面漆喷涂完成后工件随线进入流平室,为确保大量水分挥发并及时排出,防止出现橘皮、针孔等问题,形成外观良好的漆膜,因此应适当延长流平时间至15~20min。

3.5 烘干

结构件随线至烘干室烘干,利用热风对流循环方式对结构件进行加热烘干,为防止烘烤温度增长过快,导致漆膜形成气泡、针孔等问题,应分段阶梯升温。将烘干室温度第一燃烧器温度设置为(80±5)℃,第二燃烧器温度设置为(90±5)℃,双工位烘干各停留20min。

4 “湿碰湿”水性涂料在工程机械结构件上性能确认

双组分水性涂料成膜机理更加复杂,有水分蒸发、乳液颗粒靠近变形并趋填密、相互扩散融合交联反应等阶段。由于双组分聚氨酯面漆所用固化剂异氰酸酯易与双组分环氧底漆使用固化剂聚酰胺发生反应,虽然可通过调整底漆中树脂、固化剂等方式提高水性环氧底漆干性,但是无法完全避免两者交叉反应,同时双组分聚氨酯面漆羟基和水与固化剂异氰酸酯竞争反应,影响涂膜性能和外观质量。随线制测试板对关键性能检测如表1所示。

表1 随线制测试板对关键性能检测结果

5 “湿碰湿”水性涂料在工程机械结构件使用中存在的问题

通过“湿碰湿”水性涂料在挖掘机平台、底架等工程机械结构件上实践和验证,对比评价成膜光泽度略低,但是成膜更加光滑,丰满度好,其他外观质量相当且满足工程机械结构件外观质量要求。水性涂料由于水的物理特性制约,尤其在无降湿和温度调节的喷漆室施工,水性涂料“湿碰湿”存在以下问题:

(1)喷涂水性涂料对涂装作业人员技能要求更高,尤其是两道漆“湿碰湿”需严格控制喷涂顺序和喷涂三要素,否则极易流挂,产生针孔、桔皮、气泡等漆膜弊病

(2)“湿碰湿”水性涂料取消底漆后打磨及表面缺陷修补,因此对工件表面质量要求更加严格,尤其是工件表面边角部位残留少许油污、锈蚀等会造成喷涂后出现缩孔、附着力不良等问题。

(3)水性涂料相比溶剂型涂料黏性更大,并含有大量可溶于水或亲水物质,水性涂料漆渣从水旋喷漆室循环水中分离难度更大,造成涂装废水COD含量较高,需增加或改造污水处理措施。在条件允许的情况下,建议采用干式漆雾捕集系统解决污水处理问题。

(4)当冬季温度较低情况下双组分水性环氧底漆聚合交联反应将减弱或停止,加之双组分聚氨酯面漆干燥造成底漆层封闭,底漆涂层不能长时间完全干燥成膜,局部漆膜强度不足,拉拔测试漆膜附着力较差,底漆层中间撕裂情况发生。因此“湿碰湿”水性涂料喷涂过程中一方面需严格控制漆膜厚度,另一方面需定期检测烘干室炉温温度和工件表面温度


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