0　前　言

随着改革开放经济建设与工业技术的发展，我国已成为世界第一汽车和涂料产销大国，但是无论汽车领域还是涂料领域，两者都可谓大而不强。虽然二者的产量与产能(GDP)大幅上升，可是汽车涂装的能耗与污染物(VOC、CO2、废弃物等)高于国际平均水平，甚至高于国际先进水平的2～3倍。

近年来，京津冀、长三角等地区雾霾弥漫，雾霾天气产生的重要原因是PM2.5超标，其中VOC(挥发性有机化合物)排放占21%，而VOC排放中低固体分溶剂型涂料的使用是贡献者之一中国机械网okmao.com。为了有效治理雾霾，改善空气质量，国家出台的《大气污染防治行动计划》明确提出要节能减排，重要举措就是控制VOC排放、大力发展水性涂料、高固体分涂料等环境友好型涂料。

汽车涂料代表涂料行业最高水平，包括原厂漆、修补涂料、配件涂料，其中配件涂料比例约占30%，主要应用在车桥、底盘、车架、传动轴、方向机等部位。而随着环保理念日益深入，许多原来使用传统溶剂型防腐涂料的汽车零部件涂装线已开始换用水性防腐涂料。汽车零部件大部分应用环境复杂多变，使用条件苛刻(C2～C5)，且涂装工厂多为流水线作业，要求涂料干燥快、初期耐水好、温变附着力强、防腐性能优异。

与传统溶剂型涂料相比，水性涂料的VOC含量极大地降低，且中涂、面漆的固体组分不同，涂装生产过程中产生的VOC总含量也不同，具体如图1所示。但是，水性涂料光泽较低，需要喷涂罩光面漆来提高装饰性，涂膜干燥速度慢，初期耐水性差，生产施工效率低。因此，本文研制一种具有高耐盐雾性能的独立自主产权的水性树脂和色漆涂料技术，满足现有部分大型企业溶剂型产品流水线的需求，实现低成本情况下的涂料水性化，为我国汽车涂料、涂装行业的绿化创新、转型升级作一些探索，供同行决策参考。

水性涂料的VOC削减效果

1　配方设计

1.1　主题树脂的选择与改性

目前，水性汽车配件涂料主要使用的树脂有水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、水性醇酸树脂等。从下线干爽性角度考虑，自交联丙烯酸乳液最为合适，但其耐腐蚀性较差；水性丙烯酸改性环氧酯硬度较高，干燥速度较快，但其在喷涂过程中的润湿性、流平性及雾化效果不如水性醇酸树脂；而线型大分子量环氧酯虽然干燥速度较快，但硬度较差，且在雾化喷涂过程中表面易呈块，影响涂膜外观。

水性醇酸树脂作为一种环保树脂，具有极大的开发研究空间、广阔的应用前景、巨大的经济和社会效益。但是由于水性树脂存在硬度低、涂膜干燥缓慢、耐水性差等缺点，因而较大地限制了其应用。本实验借鉴国外同类产品的成功经验，在前人的基础上对比研究，选择了综合性能更加优异的异氰酸酯基团作为改性方向进行研究。以蓖麻油酸、苯酐、偏苯三酸酐等可再生的植物油或脂肪酸为主要原材料合成了基础水性树脂，并使用专用酯化改性剂NHJ-1和水性功能单体NHJ-2对树脂进行改性处理，极大地提升了水性醇酸树脂的硬度、耐盐雾性及耐化学品等性能。比较了几款不同氧化干燥类型的树脂，具体参数类型如表1所示。

5种水性树脂对涂膜性能的影响

注：下线干燥性1—最好，5—最差(此数据仅用于抗闪锈性能对比)。

通过大量对比实验，确定水性改性醇酸树脂配方如表2所示。

水性醇酸树脂配方

水性醇酸树脂的合成主要采用脂肪酸法，该法得到的树脂结构、组成均一，分子量分布也比较均匀。原料中多元酸单体采用抗水解型单体苯酐，单元酸采用脱水蓖麻油酸，可用于合成自干性中、长油度水性醇酸树脂。采用多种多元醇组合，调整树脂线型结构，使其具备更好的应用性能。比如：引入三羟甲基丙烷，可以使醇酸树脂具有更好的抗水解性、抗氧化稳定性、耐酸性和热稳定性，同时还具有色泽鲜艳、保色力强、耐热及快干的优点。

本工艺使用脂肪酸直接进行酯化反应，逐渐降温，待酸价降低到预定数值时加入酯化改性剂NHJ-1。为保证反应的正常出水速率，避免反应过于剧烈，造成物料夹带，影响后序单体配比和树脂结构，需采用逐步升温工艺。

随后加入水性单体NHJ-2，由于其酐基活性较大，可以与树脂结构中的羟基进一步反应引入羧基，通过羧基经中和以实现水性化，降低过滤后即得到水性醇酸树脂。

水性醇酸树脂具体生产流程图如图2所示。

水性醇酸树脂生产工艺流程图

1.2　防锈颜料的选择及颜基比的确定

涂料中有害重金属大多来源于颜填料，依旧以绿色环保理念为出发点，本实验选用一种生物防锈颜料ZX-2，该颜料耐酸碱性、耐水性、耐潮湿性、耐高盐雾性等性能优异，且形成的涂层具有极强的附着力[3]。

该生物防锈颜料主要是植物中提取的高纯度肌醇六磷酸及单宁酸等有机酸，与金属表面接触时，两个防锈基团首先与金属表面螯合，生成一层致密的钝化膜，另一方面，两个防锈基团可以和金属中的钛、铝等耐腐蚀性优异金属聚合物具有最佳配伍性，而钛、铝等金属可以在钢铁中形成固溶体或金属间化合物，与成膜物质一同在金属表面形成致密度极高的防腐蚀涂层，对水、氧、离子等腐蚀介质的侵蚀具有极强的阻挡性。

为了提高涂层的耐腐蚀性能，仍需加入其他的防锈颜料，以进一步增加涂料对金属底材的钝化、防锈能力。目前，常见的防锈颜料主要有磷酸锌、三聚磷酸铝、zp-30、LD-4、锌铬黄、红丹等。锌铬黄和红丹防锈能力优异，但重金属含量过高而不能使用。本项目通过耐中性盐雾试验，讨论了几种不同类型防锈颜料对涂层耐腐蚀影响，产品性能如图3所示。

防锈颜料的选择与涂层中性盐雾的关系

由图3中可以看出，普通磷酸锌、zp-30只有在金属表面发生初期腐蚀而形成阴极和阳极，使溶解的亚铁盐和铁盐发生水解，水释放出质子与磷酸锌作用产生磷酸和锌离子，进而形成磷酸铁盐及难溶铬合物，是先腐蚀后防护类型，不利于前期耐腐蚀。

LD-30是有机杂环化合物，有利于在金属基材表面形成一种隔水膜，有效阻隔水和氧气的扩散，但价格相对较高。三聚磷酸铝虽然耐腐蚀性优异，但本质为酸性，不利于涂料贮存稳定性。故选用ZX-2为主要防锈颜料，添加量为配方总量的11%～20%。

为了进一步确定颜填料的用量，本项目以生物防锈颜料ZX-2为主要防锈颜料，碳酸钙为体质填料，探讨最佳颜填料添加量，从而保证树脂能够完全包裹住颜填料粒子，同时在金属底材上满足良好的封闭性。图4为几种不同颜基比对涂层耐中性盐雾性能影响。

不同颜基比对涂层耐盐雾性能影响

从图4中可以看出，随着颜基比的增加，涂层的耐腐蚀性能逐渐提高，至颜基比为1.8时，涂料耐腐蚀性能最佳，此时，树脂可以完全包裹住颜料粒子，同时各颜料粒子间紧密相连，从而阻隔了水分子、氧气、腐蚀离子等的介入，保证了良好的耐腐蚀性。但是，当颜基比超过1.8时，树脂已不能完全包裹住颜料粒子，形成细小的腐蚀通道，降低耐腐蚀性能。

1.3　助剂的选择

高分子润湿分散剂可有效地帮助颜填料进行润湿分散并缩短研磨时间，对防止沉淀、絮凝、浮色、发花，改善涂料的贮存稳定性起到重要的影响因素。

消泡剂选用具有抑泡和消泡作用的矿物油消泡剂，提高涂膜的表面装饰效果。

流平剂具有改善干燥过程中涂膜的流动性，提高涂膜的抗划伤性。

选取表面助剂，由于其具有较低的表面能，同时在涂膜干燥过程中上浮至涂膜表面，可有效降低涂膜表面张力，使涂层具有一定的自洁、抗结冰霜的性能。以施工后涂层表面状态来反馈合适的分散剂、流平剂的选择种类，如表3、表4所示。

分散剂的选择对涂层性能影响

流平剂的选择对涂层性能影响

从表3中可以看出，当分散剂选用海名斯FX 600时，涂层表面光泽未发生变化，且光滑平整，耐盐雾性及耐水性也较为优异。从表4中可以看出，流平剂选用BYK 425时，涂层施工时不流挂，不橘皮，且贮存性较好，对涂层初期耐水性也有一定的提升。

经大量实验，最终确立了合适的助剂体系，如表5所示。

助剂的选择及用量

1.4　水性防腐涂料配方

通过对树脂、颜料、PVC、助剂的优化与选择，确定了高性能水性汽车配件防腐涂料配方，如表6所示。

高性能水性汽车配件防腐涂料配方

2　性能测试

水性汽车配件防腐涂料第三方检测主要性能数据结果如表7所示。

水性汽车配件防腐涂料主要性能

从表7中可以看出，本项目制备的水性汽车配件涂料在光泽度、耐水性、耐盐雾性及耐酸碱性等方面优异。其中，耐盐雾性能满足360 h涂层不起泡不脱落，而初期耐水性也可达72 h涂膜无变化，远超国内同类型产品，其良好的施工性能，使得客户在不改变原有溶剂型涂料施工工艺的条件下，能完全地达到溶剂型涂料的涂装效果。实现了涂料水性化的进步，获得客户的一致好评。

3　结　语

本文采用水性改性醇酸树脂为主体，结合无毒环保的生物防锈颜填料辅以功能助剂成功研制出高性能水性汽车配件防腐涂料。该产品低温固化，干燥速度快，适用于现有溶剂型涂料涂装线的施工条件，绿色环保，同时具有优异的理化性能及耐腐蚀性能，满足水性汽车防腐配件高性能要求。

该产品的成功研制打破了依赖进口树脂局面且实现了完全替代溶剂型产品，为整个汽配行业水性化和替代外企树脂制漆奠定基础，具有显著的社会效益与广阔的发展前景。

高性能水性汽车配件防腐涂料的制备

凌　芹，刘宏生，王　岩，田会社(1.石家庄市油漆厂，石家庄　050051)