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农用汽车底盘用快干型水性防腐蚀涂料的研究,针对农用汽车底盘涂装特点,制备了1 种干燥快、初期耐水性好、涂层防锈性好、可厚涂不流挂的水性底盘防腐涂料
2019年10月22日    阅读量:3500     新闻来源:中网信息    |  投稿

伴随着我国农业和汽车工业的发展,我国农用汽车销售额以每年10%~ 15%的速度增长。近年来,随着水性工业涂料的技术进步,水性工业涂料的应用取得了快速发展,国内一些农机制造企业开始在农用汽车底盘上应用水性底盘防腐涂料,替代溶剂型底盘防腐涂料。


农用汽车底盘组成不仅有铸件、加工件,还包含有塑料件和橡胶材质的零件,材质多样、体积较大、表面结构复杂,一般使用底盘防腐涂料对其进行保护中国机械网okmao.com。水性底盘防腐涂料的应用不仅解决了生产安全以及施工环保、健康等问题,同时满足于现有涂装设备条件与施工要求。


但是,目前市面上供应的水性底盘涂料防腐性能逊色于溶剂型底盘涂料,其涂膜光泽较低,需要喷涂罩光面漆来提高涂膜的装饰性,同时由于涂膜干燥速度较慢,初期耐水性较差,影响了生产施工进度。因此,开发高性能、快干型水性底盘防腐涂料已成为涂料工程技术人员的主要研究方向之一。


水性丙烯酸改性环氧酯树脂能够常温干燥,其涂膜光泽较高,附着力极佳,耐化学品性能和物理机械性能优异,搭配水性丙烯酸酯乳液一起使用,能显著提高其涂膜的干燥速度和初级耐水性。本研究选用水性丙烯酸改性环氧酯树脂作为主要成膜物,制备一种干燥快、初期耐水性好、涂层防锈性好、可厚涂不流挂的高光泽水性底盘防腐涂料。该产品VOC 释放量低、绿色环保、施工适应性强、物化性能和工艺指标达到甚至超过同类型溶剂型产品的技术要求。


1 实验部分

1. 1 实验原料

水性丙烯酸改性环氧酯树脂: HDE60-5,北京金汇利化工制品有限公司; WX5600,佛山湾厦新材料科技有限公司; 1700,常州恩科化工有限公司; JP -02W,湖南金磐新材料科技有限公司; GS5000,常州广树化工科技有限公司。水性催干剂: FR350,台州市黄岩繁荣漆业有限公司。水性丙烯酸酯乳液: Wantipro ® 0602、Wantipro® 0618,万华化学集团股份有限公司; RS -9981、RS-996AD,巴德富实业有限公司; BC-3256,北京东方亚科力化工科技有限公司; Joncryl 8224,巴斯夫中国有限公司。pH 中和剂: 三乙胺,化学纯,广州市万营鸿化工有限公司。润湿分散剂: ADDITOL VXW6208,氰特化工( 上海) 有限公司; TEGO 760W,德国迪高涂料助剂总代理有限公司; EFKA 4585,汽巴精细化工( 上海) 有限公司; Orotan 731A,罗门哈斯国际贸易( 上海) 有限公司; Lutensit A-EP,巴斯夫中国有限公司。颜填料: 磷酸锌ZPA,上海神诺贸易有限公司; 三聚磷酸铝APW-2,江南精细化工厂; 云母粉GA-5,滁州格锐矿业有限责任公司; 800 目硫酸钡,佛山市欣美化工有限公司; 氧化铁黑722,杭州联体消修化工有限公司; 炭黑3200F,东莞市天翼塑胶原料有限公司。润湿剂: Surfynol 104,美国气体化工产品中国有限公司。消泡剂: BYK-011、BYK-024、BYK-028,毕克化学有限公司; EAFK-2550,汽巴精细化工( 上海) 有限公司;TEGO810,德国迪高涂料助剂总代理有限公司; RC740、RC732,科莱恩化工( 中国) 有限公司。防沉触变剂:H15,化学纯,德国瓦克化学股份有限公司。防闪锈剂:SER-AD FA179,海名斯特殊化学德谦( 上海) 化学有限公司。增稠剂: PS-166,宁柏迪特种化学( 上海) 有限公司; Borchi® Gel0620,美国OMG 公司; VesmodyU605,万华化学集团股份有限公司; HV30,汽巴精细化工( 上海) 有限公司; R150,海名斯特殊化学德谦( 上海) 化学有限公司。防霉杀菌剂Kathon® LXE,上海罗门哈斯化工有限公司。去离子水: 自制。

1. 2 实验仪器和设备

摆杠硬度仪: QBY-Ⅱ,上海隆拓仪器设备有限公司; 附着力测试仪: QFZ-Ⅱ型,天津市科联材料试验机厂; 中性盐雾箱: SH 系列,东莞市升鸿检测仪器限公司; 光泽计( 60°) : WGG60-E4,上海精密仪器仪表有限公司; 电化学工作站: CHI600D,上海辰华仪器有限公司; ASAHI 气动式无气喷涂机: AP1021,上海玺欣精密仪器有限公司。

1. 3 水性底盘防腐涂料的制备

1. 3. 1 水性底盘色浆的制备

在预分散时先添加计量的水性丙烯酸改性环氧酯树脂、催干剂、润湿分散剂和pH 中和剂,中高速搅拌使物料充分混合。在中速搅拌下加入水和部分消泡剂,然后按照粒径由小到大的顺序依次添加磷酸锌、三聚磷酸铝、云母粉、硫酸钡、铁黑和炭黑等颜填料,最后添加防沉触变剂和剩余的消泡剂,分散均匀后转移至砂磨机中,将研磨速度调至5 000 r /min研磨30~40 min 至浆料细度≤20 μm,色浆pH 调节在8. 5~9. 5。

1. 3. 2 水性底盘防腐涂料的制备

在搅拌条件下,按顺序将水性丙烯酸改性环氧酯树脂和去离子水加入到搅拌槽中,用中和剂调节pH至8. 5 ~ 9. 5,然后加入水性底盘色浆、水性丙烯酸乳液、润湿剂、流平剂、防闪锈剂、防霉杀菌剂、增稠剂,搅拌15~30 min,用200 ~ 300 目滤网过滤,即得水性底盘防腐涂料,配方组成见表1。

水性底盘涂料配方

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1. 4 性能测试

涂料贮存稳定性测试参照GB /T 6753. 3—1986;涂料黏度测试参照ASTM D2196—2005; 涂料的VOC含量测试参照GB /T 23985—2009; 涂膜干燥速度测试参照GB /T 1728—1979; 硬度测试参照GB /T1730—2007; 涂膜附着力测试参照GB /T 9286—1998; 涂膜耐冲击性能测试参照GB /T 1732—1993;涂膜流挂性能测试参照GB /T 9264—2012; 光泽测定参照GB /T 9754—2007; 用3 M 胶带将涂膜样板进行封边,按照GB /T 1733—1993 测试涂膜耐水性和初期耐水性; 耐中性盐雾性按照GB /T 1771—2007 测试;按照GB /T 9276—1996 测试涂膜的耐候性; 按照铁路机车车辆用面漆TB /T 2393—2001 进行耐汽油性测试。测试机械性能的马口铁片基材用400# 砂纸打磨至有明显砂纸痕; 测耐腐蚀性能的A3 钢板( 150 mm×75 mm×2 mm,用白电油除油并用400 目砂纸打磨)除锈等级达到Sa2. 5 级; 涂膜干膜厚度均控制在40 ~50 μm。

 

2 结果与讨论

2. 1 水性丙烯酸改性环氧酯树脂的选择

研究选用HDE60-5、GS5000、WX5600、JP-02W、1700 5 种水性丙烯酸改性环氧酯树脂搭配专用水性催干剂FR350 配置成涂料,对应涂膜的外观和性能如表2 所示。

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水性丙烯酸改性环氧酯对涂膜外观和性能的影响



由表2 可知,水性丙烯酸改性环氧酯树脂耐腐蚀性能好,涂膜光泽较高,装饰性好,这类树脂属于氧化干燥类型,可以室温自干,但是涂膜的干燥速度较慢、硬度建立慢、初期耐水性差; 在80 ℃、30 min 的烘烤条件下除了HD-E60-5 和WX5600 外,其余3 种树脂产品的涂膜仍然粘手,而且养护7 d 完全干燥后,达不到240 h 的耐中性盐雾性能要求。而HDE60-5比WX5600 的涂膜光泽低,达不到装饰性要求。所以选择WX5600 作为水性底盘涂料的主体树脂。

2. 2 水性丙烯酸酯乳液对底盘漆性能的影响

水性丙烯酸酯乳液具有优异的耐候性和初期耐水性。针对水性改性环氧酯树脂干燥速度较慢,涂膜初期耐水差和初期硬度建立缓慢等缺陷,研究选用6种水性丙烯酸乳液与水性丙烯酸改性环氧酯树脂WX5600 按质量比1 ∶5进行冷拼配置成涂料并进行性能评价,测试结果如表3 所示。

6 种不同型号水性丙烯酸酯乳液对涂膜性能的影响

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由表3 可知,与纯水性丙烯酸改性环氧酯树脂制备的底盘漆相比,在底盘漆中加入一定比例的水性丙烯酸酯乳液,能显著提高涂膜的表干速度和初期硬度。当WX5600 与不含保护胶体的乳液( 如8224、0602 和9981) 冷拼时,由于WX5600 中所含的助溶剂极性较强,导致所制备的水性底盘漆储存稳定性较差,容易出现分层、胶化现象,并且由于树脂之间的相容性较差,造成涂膜的初期耐水性和防腐性能都有不同程度的下降; 当WX5600 与无皂聚合的丙烯酸酯类建筑乳液( 如996AD 和BC3256) 冷拼时,由于乳液树脂本身的防腐性能较差,冷拼后制备的涂膜的初期耐水性和防腐性能也同样出现不同程度的下降。综合考虑,选择磷酸酯改性无皂聚合水性丙烯酸乳液0618 与WX5600 进行冷拼。


2. 3 水性丙烯酸乳液添加量对涂膜耐腐蚀性的影响

电化学阻抗( EIS) 方法是评价涂层防腐性能最有效的电化学方法之一。将水性丙烯酸改性环氧酯树脂WX5600 与水性丙烯酸乳液0618 按照质量比5∶1、4 ∶1、3 ∶1、2 ∶1和1 ∶1进行冷拼配漆并制备样板,室温下放置7 d 充分干燥后,用3 M 胶带对样板的背面和边缘进行密封处理。EIS 测试采用三电极体系,工作电极为喷涂目标涂层的样板,参比电极为带毛细管的饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极; 在室温环境下,浸泡在质量分数3. 5%的NaCl 水溶液中30 min,测量频率范围0. 01 ~ 100 kHz。不同0618 乳液含量的水性底盘漆涂层在介质浸泡过程中的电化学阻抗谱变化如图1 所示。

不同水性丙烯酸乳液添加比例的EIS 曲线

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从图1 可以看出,随着0618 的冷拼比例的不断增大,涂层的电容增大,而阻抗值则随着减小。其中,WX5600 与0618 的质量比为5 ∶1时涂层的阻抗值为2. 06×108 Ω·cm2 ; 质量比1 ∶1时,涂层的阻抗值仅有1. 65×107 Ω·cm2,由此可见,WX5600 与0618 质量比为5 ∶1时的涂层电化学防腐效果最好。这可能是由于相比于水性丙烯酸改性环氧酯树脂,水性丙烯酸乳液的防腐蚀能力较差,按照质量比5 ∶1冷拼时,涂膜以水性改性环氧酯树脂WX5600 为主体成膜物,0618 乳液起到辅助改善涂膜性能的作用,涂膜交联度较大,涂层的阻抗值较大,从而对涂层的耐腐蚀性能影响轻微。随着乳液添加比例的提高,水性底盘涂料中的水性改性环氧酯树脂含量相应减少,涂膜的交联密度较低,使得涂层的阻抗值逐渐下降,从而显著降低了涂层的耐腐蚀性能。

2. 4 分散剂的选择

水性底盘防腐底漆在配方设计过程中,需要添加适量的活性防锈颜料,此类颜料对分散剂要求较高。本研究以活性磷酸锌、三聚磷酸铝为防锈颜料,以云母粉、沉淀硫酸钡、铁黑、炭黑和防沉剂气相二氧化硅等为填料,探讨了几种不同类型的水性分散剂对颜料和底盘漆性能的影响,结果如表4 所示。

分散剂对颜料的分散稳定性及涂层性能的影响

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由表4 可知,非离子高分子型分散剂6208 与磷酸酯类分散剂A-EP 对颜料的分散稳定性及耐水性最佳。6208 在分子结构上通过锚固基团取代表面活性剂的亲水基团,在固体颗粒表面上具有更牢固的吸附; 通过溶剂化链取代表面活性剂的亲油基团,且为聚合物链,当吸附有该分散剂的固体颗粒因范德华力相互作用时,由于吸附层之间的空间障碍而使颗粒相互弹开,从而实现固体颗粒在非水介质中的稳定分散。


但是其相对分子质量较高,因此润湿能力相对较弱; A-EP 作为低相对分子质量表面活性剂,对颜料具有较佳的润湿性,可有效缩短研磨时间。同时,磷酸酯类表面活性剂可以通过磷酸酯基与金属底材发生反应,从而防止了表面活性剂的迁移,提高涂层耐水性及钝化素材表面。


综上所述,本研究在水性丙烯酸改性环氧酯WX5600 与水性丙烯酸乳液0618 的冷拼的质量比为5 ∶1的基础上,选择以6208 为主体分散剂,辅以A-EP 为润湿分散剂,添加量为颜料总质量的5%,6208 与A-EP 的质量比为5 ∶1。


2. 5 消泡剂对涂膜性能的影响

底盘漆的实际施工过程中,由于膜厚要求较高,采用混气喷涂系统,涂料的整体施工黏度较高,体系中的气泡难以消除。涂膜固化时易出现溶剂孔,影响涂层外观,造成涂层耐腐蚀性及耐水性能下降。消泡剂对涂膜性能的影响如表5 所示。

消泡剂对涂膜性能的影响

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由表5 可知,添加消泡剂能够在一定程度上消除涂料体系中的气泡,有机硅类消泡剂的消泡效果显著,但是单独使用有机硅类消泡剂,由于其消泡能力太强,会对涂膜产生一定负面影响,通常会造成涂膜缩孔,严重者还会迁移至涂层表面,导致发雾,降低了涂层的装饰性。此类消泡剂一般适用于浓缩色浆的研磨消泡,有利于提高研磨效率。因此,在后段清漆配方中建议使用消泡能力稍弱的非硅类消泡剂。本研究选用与体系相容性最好的有机硅消泡剂EAFK-2550 和TEGO810 与不含有机硅破泡憎水型消泡剂BYK-011 复配使用,综合考虑,EAFK-2550 与BYK-011 复配组合的消泡效果较好。


2. 6 增稠剂的配伍对涂膜外观和施工效果的影响

施工黏度是施工性能中比较重要的影响因素。黏度过低可能会出现垂流、露底、缩边、涂膜过薄等弊病,而太高则会出现喷涂施工时雾化不良,甚至拉丝,涂膜流平性差引起橘皮、光泽下降等问题。

涂料在静置时呈胶状,而受到触动时黏度发生变化的一种性质,称为摇变性、抗流挂性; 本实验以TI值表示触变值,以旋转黏度60 r /s 与6 r /s 的比值表示TI 值的大小。实验研究了不同增稠触变剂复配对水性底盘涂料体系的TI 值、外观、施工效果的影响,其结果如表6 所示。

增稠剂对涂膜外观及涂料性能的影响

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由表6 可知,当TI 值高于2. 70 时,喷涂的底盘漆防流挂最好; 在60 r /min 的转速测得涂料体系旋转黏度小于3 730 mPa·s时,喷涂施工的涂膜流平效果最好。由于本实验制备的水性底盘涂料涂膜光泽要求较高,因此适用于该体系增稠触变剂的选择相对较少,如有机膨润土、纤维素、碱溶胀型( 如HV30、R150) 等类别的增稠剂都会降低涂膜光泽而不能选用,针对此产品的光泽要求最好选用聚氨酯类型或者气相二氧化硅类型的增稠触变剂。


同时因为该体系选择的WX5600 为水溶性体系,树脂中含有一定量的助溶剂,对聚氨酯类型增稠剂的增稠作用会削弱,因此只能选择气相二氧化硅类型的防沉剂与聚氨酯增稠剂复配使用。


经过实验比较,疏水型的气相二氧化硅H15 对体系增稠较为明显、对涂膜性能影响较小,其所含的硅氧与硅醇基团、硅醇与硅醇基团之间会产生氢键作用,行成立体网状结构( 如图2) ,能够有效增加体系的黏度,控制体系触变流动性,从而提高了体系以及水性涂料的触变性和稳定性; 非离子水溶性增稠剂U604 和PS-166 属于假塑型流变改性剂,具有优异的中剪切增稠效率,对水增稠效果优异,但受到树脂中的助溶剂影响明显,增稠效果较低,只能提高底盘漆的高剪切黏度而不能提高其触变性,因此单独使用U604 或者PS-166容易出现湿膜流挂现象; 


而疏水型聚氨酯增稠剂0620、U605 属于中剪切增稠剂,能够显著提高涂料体系的整体黏度,但是不能提高体系的触变性,而且会影响涂膜的流平性。考虑到增稠触变剂的用量对后期涂膜的干燥性以及耐腐蚀性能有一定负面影响,所以最终确定增稠剂的质量分数比例w( H15) ∶w( U604) ∶w( U605)= 0. 2 ∶0. 2 ∶0. 1 作为最佳方案。

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气相二氧化硅的表面结构

2. 7 颜料体积浓度对水性底盘漆性能的影响

颜填料体积浓度( PVC) 对水性底盘涂料性能的影响如表7 所示。

PVC 对涂膜性能的影响

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从表7 可见,随着底盘涂料体系中PVC 的增大,涂层的附着力、耐水性和耐中性盐雾性能等均相应提高,光泽逐渐下降; 当PVC 超过40%时,涂层的附着力、耐水性和耐盐水性能明显下降。


这说明,当PVC较小时,涂料中有足够的树脂来包覆润湿颜、填料表面,填充颜、填料之间的缝隙,在工件基材表面容易形成一层连续、致密的涂层,因而提高涂层的致密性与耐腐蚀性; 当PVC 过高时,基料树脂不能够完全包裹住颜、填料粒子,不能形成连续相涂层,导致涂膜的致密性下降,从而降低了涂层的防腐蚀性能。可见PVC 过高或者过低,涂膜容易过早失效,从表8 可以看出,PVC 在40%左右,水性底盘涂料的耐腐蚀性能达到240 h,涂层其他方面的综合性能最佳。


2. 8 水性底盘涂料与溶剂型底盘漆的性能比较

本研究制备的水性底盘涂料产品以达到国内某厂家生产的溶剂型醇酸底盘防腐涂料产品性能为目标,其性能比较如表8 所示。

底盘涂料产品的性能对比

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从表8 可以看出,与溶剂型醇酸底盘防腐涂料相比,本研究制备的水性底盘涂料在室温下干燥时,受环境湿度的影响,干燥速度不能超越溶剂型醇酸底盘防腐涂料。但在实际生产应用中,由于生产进度需要,可进行低温烘烤的工序,使得水性底盘涂料的涂膜干燥效果与溶剂型醇酸底盘涂料相当,而且水性底盘防腐涂料的施工固含较高,防流挂性更好,能够迅速达到施工膜厚要求; VOC 挥发量明显低于溶剂型涂料,更加环保、安全。涂层耐水性、耐中性盐雾性以及人工加速老化等方面性能都比溶剂型醇酸底盘防腐涂料有所提高。

 

3 结语

( 1) 水性底盘涂料的主体树脂水性改性环氧酯树脂WX5600 与磷酸酯改性无皂聚合水性丙烯酸酯乳液0618 按照质量比5 ∶1进行冷拼配漆,能明显提高水性底盘漆的表干速度和初期耐水性; 水性底盘底漆的颜料体积浓度PVC 控制在40%左右,涂层的综合性能达到最佳。

( 2) 选用非离子型表面活性剂6208 与磷酸酯类分散剂A-EP 的水性底盘涂料中颜料的分散稳定性及耐腐蚀性能达到最佳。

( 3) 选用有机硅消泡剂EAFK-2550 与不含硅的破泡憎水型消泡剂BYK-011 搭配使用,能有效解决水性底盘涂料的稳泡问题而不影响涂膜外观和性能。

( 4) 选用疏水性气相二氧化硅H15 作为防沉触变剂搭配非离子水溶性增稠剂U604 和疏水型聚氨酯增稠剂U605 一起使用,能够显著提高底盘涂料体系的整体黏度和触变性。实现可厚涂不流挂效果,最佳复配比例为w( H15) ∶ w( U604) ∶ w( U605) = 0. 2 ∶0. 2 ∶0. 1。


农用汽车底盘用快干型水性防腐蚀涂料的研究

李国军,许昭展,姚煌* ,张玉国,张红,方博( 广州擎天材料科技有限公司,广州510860)


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