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工程机械面漆作为工程机械涂层体系的最外涂层，对外观要求比较高，要有很高的装饰性，同时还要求硬度高、附着力好、耐冲击性好、柔韧性好，并有良好的耐化学性；另外工程机械大多情况下都是露天作业，施工工况恶劣，还要求工程机械面漆涂层具有良好的耐候性 。 丙烯酸树脂几乎不吸收波长 300 nm 以上的紫外线及可见光，而且主链的C—C键耐水解 。另外，水性丙烯酸树脂具有较好的光泽、化学性能和稳定性高等优点，是一种低 VOC 的绿色环保型树脂。 目前工程机械主要采用 2C2B（两喷两烘）工艺，即“底漆喷涂→烘烤→面漆喷涂→烘烤” 的涂装工艺。目前工程机械面漆的涂装工艺主要是：喷涂完面漆后流平 10 ~ 15 min，在 60 ℃左右烘烤 30 min，烘烤后冷却 30 min 后下挂。 本研究根据工程机械面漆涂装工艺的要求，研究了不同水性羟基丙烯酸树脂对工程机械双组分水性聚氨酯面漆性能的影响，最终确定了符合工程机械涂装工艺的水性丙烯酸树脂的种类和复配比例。 1.1 试剂与仪器 水性羟基丙烯酸树脂乳液（A、B、C、D）、异氰酸酯：科思创；润湿剂、分散剂、消泡剂：BYK；增稠剂：丽利工业；钛白粉：杜邦。以上原料均为工业级。 9080F-A 喷砂机：上海嘉士多涂装设备有限公司；JSF-400 砂磨分散搅拌多用机、QCJ 漆膜冲击器、老化箱：上海现代环境工程技术有限公司；JY12002电子天平：上海双旭电子有限公司； Minnijet 4400 -120 喷枪：SATA 德国 SATA；ZB-0.11 / 7 风机：浙江永源机电有限公司；DHG - 9023A 烘箱：上海精宏实验设备有限公司；E3060°光泽计：科仕佳光仪器研究所；U9320A 扫描电镜：安捷伦科技有限公司。 1.2 实验过程 双组分水性聚氨酯面漆的A组分配方如表 1所示。 表 1 主要配方 双组分水性聚氨酯面漆的制备工艺如下。 （1）浆料研磨。在 500 r / min 下将去离子水、消泡剂、润湿剂、分散剂、钛白粉依次加入搅拌容器中，搅拌 15 min；然后将搅拌速度控制在3 000 r / min左右，研磨 60 min 后，制得白色浆。 （2）A 组分配制。在1 200 r / min下，依次加入白色浆、水性羟基丙烯酸乳液、消泡剂、增稠剂，搅拌 30~ 50 min，制得水性聚氨酯涂料的A组分。 （3）B 组分：异氰酸酯。将A组分与B组分按照n（—NCO）∶n（—OH）= 1.5∶1混合后，搅拌均匀，加水稀释至喷涂黏度（涂4#杯30 s），喷涂样板，干燥后保养 7D待用。 1.3 成膜固化机理 水性羟基丙烯酸树脂和异氰酸酯的成膜机理如图 1 所示。 图1 成膜机理 1.4 测试与表征 客户所要求的工程机械面漆的性能指标及其测试方法如表 2 所示。 表 2 涂料性能测试 2.1 水性羟基丙烯酸树脂对涂膜性能的影响 2.1.1 不同水性丙烯酸树脂的性能参数 选用的 4 种水性羟基丙烯酸树脂的性能参数如表 3 所示。 表3 4种水性羟基丙烯酸树脂的性能参数 从表 3 可以看出，树脂B固含最高，树脂C固含最低。树脂C的—OH含量最高，树脂 A、树脂B次之，树脂D的—OH含量最低。树脂A密度最大，另外 3 种树脂密度比较接近。树脂B的Tg最低，只有7.3℃ ，在常温下处于高弹态；树脂D的Tg为 23.6℃ ；另外2种树脂的玻璃化转变温度（Tg） 在 46.2 ~51.2 ℃之间，在常温下处于玻璃态。 2.1.2 对面漆成膜过程的影响 根据目前工程机械面漆的涂装工艺，将喷涂完的面漆试板放至在 60 ℃ 的烘箱中烘烤，并测试试板涂膜的干燥时间，结果如表 4 所示。 表4 不同厚度的漆膜 60 ℃下的干燥时间 根据目前制定的工程机械面漆技术要求，干膜厚度 40~60 μm （ 相对应的湿膜厚度为 75~125 μm）的涂层在 60 ℃烘烤温度下 30 min 内达到规定的干燥程度（出烘箱冷却后可下挂为标准，没有具体硬度要求，根据经验，硬度大致在 HB）。考虑到工程机械的涂装采用人工喷涂，不可避免地出现局部区域湿膜较厚，所以根据现场涂装要求，一般认为当湿膜厚度 150~200 μm 能在 30 min 内达到规定的干燥程度则符合要求。表 4 可以看出树脂A制成的涂膜在 60 ℃ 下烘烤25 min 能使200 μm 的湿膜厚度干燥，符合工程机械面漆在 60 ℃下烘烤 30 min 能干燥下挂的要求。而另外 3 种树脂的干燥时间均不符合工程机械面漆的要求。 在双组分水性聚氨酯涂料成膜过程中，由于水会与异氰酸酯发生反应生成二氧化碳，这是双组分水性聚氨酯涂层产生气泡的主要原因；另外施工过程容易混入大量的空气而产生气泡，这也会导致双组分水性聚氨酯涂料在成膜过程中产生气泡。实验中研究了几种树脂制成的涂膜在 60 ℃ 30 min 下的起泡情况，结果如图 2 和表 5 所示。 图2 涂膜在不同湿膜厚度下的起泡情况 表5 涂膜在不同湿膜厚度下的起泡情况 众所周知人眼的分辨率约为 1′，所以正常人眼最小分辨距离约为 0.06 mm。所以当涂膜中气泡直径在 60 μm 以内的少量微观缺陷，人眼比较难观察到，同时对涂膜平整度和光泽影响不大。由图 2 和表5 可以看出，树脂A和树脂C制成的涂膜气泡直径较大而且单位面积起泡个数较多，特别当湿膜厚度达到100 ~ 200 μm 时起泡现象很严重，已严重影响到涂膜外观质量。树脂D制成的涂膜与树脂 A、树脂C相比，由于树脂D制成的涂膜在 60 ℃下干燥时间较长，反应速度较慢，涂膜表面乳液凝结速度慢，产生的CO2 容易逃逸，另外其树脂玻璃化温度相对较低，涂膜产生的气泡直径大小和单位面积气泡个数相对理想。树脂B制成的不同湿膜厚度的涂膜在 60 ℃烘烤下基本上没有出现气泡，树脂气泡直径在 60 μm 以内而且单位面积起泡个数很少，得到了良好的涂膜质量外观。这是因为树脂B制成的涂膜干燥速度较慢，与另外3种树脂制成的涂膜相比在 60 ℃ 下表现出一定的粘流性，生成的 CO2 很容易逃逸出涂膜表面，形成了较好的外观质量。 综上，树脂A制成的涂膜干燥速度较快，符合工程机械干膜厚度 40~60 μm（相对应的湿膜厚度为75~125 μm）的涂膜在60 ℃烘烤温度下30 min 内能干燥下挂的技术指标，但是在成膜过程中起泡严重，会严重影响到涂膜的外观质量。树脂B制成的50~200μm 的湿膜在60 ℃ 下基本上没有出现大的起泡情况，能得到较好的涂膜外观质量，但是干燥速度较慢，不能达到工程机械面漆的干燥速度要求。树脂C制成的涂膜虽然在60℃下干燥速度较快，但仍不能达到工程机械面漆的干燥速度要求，而且成膜过程中起泡现象严重，影响到涂膜的外观质量。树脂D制成的涂膜虽然没有产生直径较大的气泡，但仍然形成了一些小泡，影响到涂膜的外观质量，而且干燥速度较慢，会影响到工程机械面漆的涂装效率。 2.1.3 对面漆耐候性的影响 工程机械长期处于户外作业，所以对面漆的耐候性要求很高，在人工加速老化箱1 200 h后要求不开裂、不粉化、不起泡、失光率在 20%内、允许轻微变色（△E≤3）。本实验选用的 4 种水性羟基丙烯酸树脂配制涂料的工艺相同，涂料的干膜膜厚在 40~60 μm之间。老化试验前树脂A、B、C、D制备的涂膜的光泽均能达到 85 及以上，基本上能达到工程机械面漆的外观质量要求。人工加速老化试验结果如图 3所示。 图3 涂膜失光率和△E 随老化时间的变化 由图 3 可以看出，4 种树脂涂膜经过1 200 h老化测试后，△E 均小于 3，符合工程机械耐候性轻微变色要求；4 种树脂在失光率上有明显差异，其中树脂B 和树脂D制成的涂膜的耐候性较差，树脂B制成的涂膜在人工加速老化 600 h 后失光率已达到 20%，而树脂D制成的涂膜在人工加速老化 400 h 后就已不合格，均未能达到目前工程机械面漆的耐候性要求。树脂A和树脂C制成的涂膜具有较好的耐候性，1 200 h后失光率均在 13%以内，能达到目前工程机械面漆的耐候性要求。 2.1.4 对漆膜性能的影响 水性羟基丙烯酸树脂对漆膜性能的影响如表 6所示。 由表 6 可以看出，树脂C制成的涂膜硬度最高，其次是树脂 A。树脂B和树脂D制成的涂膜硬度较差。这是因为树脂C羟基含量最大，涂料成膜后具有较高的交联密度，机械性能提高，具有较好的涂膜硬度。而其他3种树脂的羟基含量较低，交联密度较低，相应的涂膜硬度也有所下降。另外，由于树脂A的Tg较高，达到 46.2 ℃ ，在室温下处于玻璃态，所得的涂膜硬度较高。但4种树脂制成的涂膜硬度均达到了H，符合工程机械面漆的硬度指标要求。 表 6 水性丙烯酸树脂种类对涂膜性能的影响 从表 6 还可以看出，树脂 B、C、D 制成的涂膜均具有较好的耐冲击性，能达到目前工程机械面漆耐冲击性能指标要求。这是因为树脂B和树脂D自身玻璃化温度较低，交联成膜后，玻璃化温度虽会有较大增加，但较其他树脂交联后小，因此具有较好的耐冲击性；树脂C由于羟值最高，有较高的交联密度，机械性能较好，耐冲击性也达到了50cm；而树脂A制成的涂膜在常温下处于玻璃态，再加上羟值较低，难以形成较高的交联密度，涂膜脆性较大，耐冲击性只有 35cm，不符合工程机械面漆的性能指标要求。 从表 6 可以看出，4 种树脂制成的涂膜均具有较好的柔韧性和附着力，都达到了工程机械面漆性能指标要求。这是因为氨酯键中含有氢键，在外力的存在下氢键可分离吸收外来能量，当外力去除后可重新再形成氢键，氢键的存在使聚氨酯涂料的涂膜具有较优异的柔韧性、附着力。 4 种树脂制成的涂膜均具有很好的耐化学性，在合适的 A、B 组分比例下具有一定的交联密度，涂膜也具有很好的致密性，耐酸、耐碱、耐水性均能达到工程机械面漆的性能要求。 总体来说，树脂A制成的涂膜的耐冲击性能较差；4 种树脂制成的涂膜其他性能基本达到了目前工程机械面漆的性能指标。 2.2 2种水性羟基丙烯酸树脂复配比例对涂膜性能影响 2.2.1 复配比例对面漆成膜过程的影响 上述 4 种水性丙烯酸树脂配成的涂料均未能从整体上满足工程机械面漆的性能要求。因此从上面4 种水性丙烯酸树脂中选择了性能较佳的 2 种树脂进行复配（树脂A在烘烤温度 60 ℃ 下干燥速度较快，具有很好的耐候性；树脂B在 60 ℃干燥下起泡较少，涂膜外观质量较好）。研究了树脂A和树脂B种水性羟基丙烯酸树脂不同复配比例的涂膜在60 ℃下的干燥时间和起泡情况，实验结果如表 7 所示。 表7 复配比例涂膜干燥时间和起泡的影响
从表 7 可以看出，随着树脂B用量的增加，涂膜的干燥速度变慢。当树脂A与B的复配比例为 10：0、9：1、7：3时能满足目前工程机械的施工时间要求。随着树脂A用量的增加，涂膜的气泡直径增大，单位面积气泡个数也增多。尤其当复配比例为 10：0、9：1时会产生直径较大的气泡，均超过了 60 μm，严重影响到涂膜的外观质量。另外树脂B的Tg较低，当复配比例中树脂B的含量较多时涂膜表面较软，在60 ℃烘烤温度下能得到优异的涂膜外观质量。 因此，当树脂A与树脂B的复配比例为 10：0和9：1时，会产生较大的气泡，严重影响到涂膜外观质量，不能用于工程机械的面漆涂层； 其他的复配比例下均能得到较好的涂膜质量，但只有 7： 3的比例可同时满足干燥时间的要求。因此，树脂A与树脂B的复配比例为 7：3时，综合性能满足工程机械面漆涂层的要求。 2.2.2 复配比例对面漆耐候性的影响 树脂A与树脂B的复配比例的变化也会影响到涂膜的耐候性，人工加速老化试验结果如图 4、5 所示。
图4 涂膜失光率随人工加速老化时间的变化
图5 △E 随人工加速老化时间的变化 不同复配比例的涂膜在人工加速老化前均具有较高的光泽，说明树脂A和树脂B具有较好的相容性；同时，不同复配比例的涂膜经过1 200 h老化测试后，△E 变化不大，均小于 3，符合工程机械耐候性的轻微变色要求。 不同复配比例的涂膜的失光率差异较大，随着树脂B相对比例的增加，涂膜的耐候性越来越差，当复配比例为 3： 7时涂膜已不能达到目前工程机械面漆的耐候性要求。 2.2.3 复配比例对涂膜性能的影响 复配比例对涂膜性能的影响如表 8 所示。 表 8 复配比例对涂膜性能的影响
由表 8 可以看出，随着树脂B的比例增加，涂膜的硬度相应下降。这是因为树脂B的Tg较低，只有7.3 ℃ ，在室温下处于高弹态，B 树脂含量增多会使涂膜表面变软。但几种复配比例的涂膜均能达到目前工程机械面漆的硬度指标要求。 由表 8 还可以看出，树脂A与树脂B的复配比例为 10：0、9：1时，涂膜的耐冲击性较差，不符合目前工程机械面漆的耐冲击性指标要求。随着B树脂含量的增加，涂膜的耐冲击性有所提高。这是因为树脂A 的Tg较高（46.2℃），树脂B的增多会提高涂膜的柔韧性，从而提高了涂膜的耐冲击性。 在合适的 A、B 树脂比例下，不同复配比例的涂膜均具有较好的致密性，耐酸、耐碱、耐水性均能达到目前工程机械面漆的性能要求。 （1）4种羟基丙烯酸树脂配成的涂料均不能从整体上满足工程机械面漆的性能的要求。 （2）当树脂A与树脂B以 7：3的比例共混复配时可以达到涂膜整体性能最优，能够满足工程机械面漆的各项性能要求。 来源：2016年《涂料工业》第8期 |
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