罗 健，吴 冰，席亚娟，钱 程，丁梦佳，陈钊聪
(南京长江涂料有限公司，南京 210047)
摘要：研制了液压油缸外壁用水性涂料配套体系,结果表明:通过对比实验,选用国产水性羟基丙烯酸分散体S02制备水性丙烯酸聚氨酯面漆,涂膜综合性能更佳;亲水性多异氰酸酯H01与树脂相容性好、易分散均匀,但耐化学品性能不如低黏度疏水性多异氰酸酯H02,通过将两种水性异氰酸酯固化剂复配使用,研制液压油缸外壁用水性涂料配套体系,各项性能不仅满足HG/T 4761—2014 《水性聚氨酯涂料》标准要求,也能够满足客户使用性能指标要求。
关键词：液压油缸，配套体系，水性丙烯酸聚氨酯
0 前 言
液压油缸广泛配套应用于汽车、叉车、工程机械等行业生产的各种型号自卸汽车、叉车、装载机、推土机等，其中技术含量较高的是工程机械用液压油缸，市场需求量也大。为保证液压油缸的质量，其涂装防护显得尤为重要。
液压油缸的使用环境相对复杂，外壁用涂层不仅要求具有优异的附着力、抗冲击性和高硬度，对防腐性能、耐候性和耐化学品性能也有较高要求。目前，液压油缸外壁主要采用“溶剂型环氧底漆＋溶剂型双组分聚氨酯面漆或溶剂型环氧富锌底漆＋溶剂型环氧云铁中间漆＋溶剂型双组分聚氨酯面漆”的涂装配套体系。但随着大气污染问题日益严重，挥发性有机化合物(VOC)作为雾霾的重要原因，是当前国家大气污染治理的焦点，而溶剂型涂料是VOC排放的主要来源之一。因此，在日趋严格的环保法规政策下，环境友好、高性能的水性涂料等必将逐渐并快速替代传统的中低固体分溶剂型涂料。
面对严峻的环保形势，越来越多的工程机械装备企业正在寻求水性化涂装解决方案，本文就液压油缸外壁用水性涂料配套体系进行深入的探讨。选取了高羟值的水性丙烯酸分散体作为主体树脂，筛选合适的涂料助剂，并将不同异氰酸酯固化剂进行复配，制备液压油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆；在此基础上，依据客户液压油缸使用腐蚀环境，分别为客户提供配套解决方案，所研制的液压油缸外壁用水性涂料配套体系各项性能指标不仅满足HG/T 4761—2014《水性聚氨酯涂料》标准的要求，也能够满足客户指定液压油缸外壁用水性涂料涂装配套体系性能指标的要求(见表1)，具备巨大的市场潜力。
1 实验部分
1.1 实验原料
水性羟基丙烯酸分散体S01，国产，固含量46%±1%，固体树脂—OH值3.3 mg KOH/g；水性羟基丙烯酸分散体S02，国产，固含量45%±1%，固体树脂—OH值4.2 mg KOH/g；水性羟基丙烯酸乳液S03，欧洲进口，固含量46%±1%，固体树脂—OH值2.5 mg KOH/g；水性羟基丙烯酸分散体S04，美国进口，固含量42%±1%，固体树脂—OH值4.1 mg KOH/g；水可分散HDI型异氰酸酯固化剂，国产，固含量100%，—NCO值21%±1%；有机颜料，科莱恩；金红石型钛白粉，美国杜邦；分散剂、消泡剂、缔合型聚氨酯增稠剂，迪高；基材润湿剂，毕克化学；LXE杀菌剂，陶氏化学；有机锡类水性催化剂，OMG；去离子水，自制。
1.2 仪器和设备
SFJ 500高速分散机，变频器调速范围：50～6 000r/min，上海现代环境工程技术有限公司；BYK4563微型三角度光泽仪，德国毕克；QXD-50刮板细度计，上海魅宇仪器设备有限公司；SF450盐雾腐蚀试验箱，CW专业设备有限公司。
1.3 液压油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆的制备
按照配方量依次加入去离子水、分散剂、颜料，在转速1 000 r/min搅拌下分散至无粉团、无结块。然后，将以上浆料转入砂磨设备研磨，至浆料细度≤20μm。接下来，将剩余的水性羟基丙烯酸分散体、基材润湿剂、流平剂、消泡剂、催干剂依次加入浆料中，800r/min搅拌30 min。最后，加入增稠剂调节体系黏度至80～100 s(涂-4#杯)，使用300目绢丝布过滤后，即得液压油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆A组分。
在低速搅拌下依次加入丙二醇甲醚乙酸酯、脱水剂和水性异氰酸酯固化剂，提升转速至1 000 r/min搅拌分散8 min，即得液压油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆B组分。
根据S01、S02、S03和S04体系，分别制备不同树脂体系的大红、中黄、白、中蓝和黑色水性羟基丙烯酸聚氨酯面漆。表2列出了液压油缸用水性丙烯酸聚氨酯白面漆A组分的具体配方，表3列出了液压油缸用水性丙烯酸聚氨酯面漆B组分的具体配方。
1.4 性能测试与分析方法
依据GB/T 6753.1—2007规定进行细度测试；依据GB/T 9754—2007规定进行涂膜光泽度测试；依据GB/T 1732—1993规定进行涂膜耐冲击性能测试；依据GB/T 6739—2006规定进行涂膜铅笔硬度测试；依据GB/T 9286—1998规定进行涂膜划格附着力测试；依据GB/T 1733—1993规定进行耐水性测试；依据GB/T 9274—1988规定进行耐酸性测试；依据GB/T9754—2007规定进行耐碱性测试；依据GB/T 1771—2007规定进行耐盐雾性能测试。
1.5 产品性能指标
液压油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆性能指标见表4。
2 实验结果与讨论
2.1 液压油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆的配方设计
通过筛选合适的水性羟基丙烯酸树脂、颜填料、水性涂料助剂，并搭配与之相容性好的异氰酸酯固化剂，制备满足液压油缸使用性能要求的水性丙烯酸聚氨酯面漆。
2.1.1 主体树脂的选择
水性丙烯酸聚氨酯涂料是含—OH基团的水性多元醇和含—NCO基团的低黏度的多异氰酸酯固化剂发生交联反应后的热固性涂料，其涂膜性能主要决定于水性羟基树脂的组成和结构。水性羟基丙烯酸树脂分子链段上—OH基团含量的高低影响反应交联密度，从而影响水性丙烯酸聚氨酯涂料的硬度、附着力、柔韧性和耐化学性能。提高水性树脂分子链段中的—OH基团含量，能够加快其与—NCO基团的反应速度，从而加快涂膜的干燥速度；另一方面，也提高了反应交联密度，使得涂膜具有高光泽、高硬度和优良的耐化学性能。但是，—OH基团含量过高，会增加异氰酸酯固化剂用量从而提高成本，同时也会增加—NCO基团与H2O的反应，影响涂膜光泽。影响水性羟基丙烯酸树脂性能的另外一个重要参数是固含量，固含量越低则水含量越高，涂膜干燥越慢；反之，固含量过高涂膜干燥过快，不仅会影响施工性，同时固含量偏高的树脂粒子间距小，流变性能较差，使得涂料在喷涂时调节性能的困难增大。
表4列举了4种水性丙烯酸聚氨酯面漆的涂膜性能，通过实验数据分析可以得出，国产S02和进口S03树脂体系满足液压油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯涂料光泽(60°)高于90%的使用要求，但S03树脂体系硬度偏低(B)，S02树脂体系硬度为H，也具有较好的柔韧和附着力，综合性能更佳。通过对比实验，针对性地筛选合适的水性羟基丙烯酸树脂，使它在光泽、硬度和柔韧等性能达到了均衡。因此本研究最终确定国产S02水性羟基丙烯酸分散体(固含量45%±1%，固体树脂—OH值4.2 mg KOH/g)作为制备液压油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆的主体树脂。
2.1.2 水性异氰酸酯固化剂的选择
水性异氰酸酯固化剂是水性丙烯酸聚氨酯涂料配方的关键成分，其与水性羟基丙烯酸树脂能否有效、快速反应是决定涂膜性能好坏的关键。水性异氰酸酯固化剂影响反应的因素有以下3点：(1)固化剂的黏度；(2)固化剂在混合时对体系黏度的影响；(3)固化剂与树脂体系的相容性。目前，水性丙烯酸聚氨酯涂料用水性异氰酸酯固化剂主要有亲水性和低黏度疏水性多异氰酸酯，如表5所示列出了两种水性异氰酸酯固化剂的性能特点。
本文通过将两种水性异氰酸酯固化剂按一定配比混合使用，研究两者配比对水性丙烯酸聚氨酯涂膜性能的影响，实验结果如表6所示。通过分析表6实验数据得出，添加疏水性多异氰酸酯H02能够提供水性丙烯酸聚氨酯涂膜的硬度和光泽，当m(H01)∶m(H02)为3∶1时涂膜综合性能最佳。
2.1.3 分散剂的选择
水性涂料中，分散剂的主要作用是缩短分散时间，提高涂膜的光泽和遮盖力，改善调色性和展色性，同时防止漆液贮存过程中的浮色、发花和沉淀。但是，大多数的分散剂会提高涂膜对水的敏感性，影响涂膜耐介质性能，因此，筛选合适的分散剂也是制备水性丙烯酸聚氨酯面漆的重要环节之一。
通过大量实验对比，本文选用TEGO 750W作为分散剂，并考察了其用量对分散效率、涂膜光泽和耐介质性能的影响，见表7。
通过表7可得，当TEGO-750W分散剂用量为1.0%时，分散效率最高，所制备的水性丙烯酸聚氨酯面漆涂膜性能最优，具有较好光泽、耐水性和耐盐雾性能。当分散剂用量低于1%时，分散效率低；当分散剂用量过高时，不仅增加涂料成本，也会影响涂膜的耐水性和耐盐雾性能。因此，综合成本、分散效率和耐介质性能，确定添加1%TEGO-750W分散剂较为合适。
2.1.4 其他水性涂料助剂的选择
水性涂料助剂是制备水性涂料必不可少的组分。水的表面张力高，很难达到理想的润湿效果，涂装过程中容易产生缩孔、火山口和窝眼等涂膜弊病，对于本实验遴选的水性羟基丙烯酸分散体，通过大量实验表明，添加BYK-346聚醚改性有机硅类基材润湿剂能够有效降低表面张力，提高漆液对基材的润湿性能。
在增稠剂筛选方面，相比于亲水的碱溶胀型丙烯酸酯增稠剂，选择TEGO ViscoPlus 3030疏水改性的聚氨酯缔合型增稠剂，所制备的涂膜具有更佳的耐水和耐盐雾性能，如表8所示。在消泡剂筛选方面，选择相容性好、消泡能力适中的TEGO Airex 901W能够避免出现缩孔、雾影等涂膜弊病，对涂膜光泽影响也较小，如表9所示。
2.2 液压油缸外壁用水性涂料配套体系的确定
依据客户液压油缸使用腐蚀环境R2和R4I的要求，为客户提供两种配套方案分别为配套方案1：水性环氧底漆＋水性聚氨酯面漆；配套方案2：水性环氧富锌底漆＋水性环氧云铁中间漆＋水性聚氨酯面漆。
2.2.1 涂装环境要求
水性涂料的涂装环境要求严格，涂装环境的好坏直接影响涂膜涂装质量。水性涂料的喷涂车间要求必须洁净，温度控制在15～35 ℃、湿度控制在30%～80%为宜，同时保证喷涂车间通风顺畅，有温度和湿度调节装置，在环境恶劣的情况下能够有效调节，避免出现涂膜起泡、流挂、闪锈等涂装问题。
2.2.2 涂装工艺要求
液压油缸外壁用水性涂料配套体系的涂装工艺要求见表10。
2.2.3 液压油缸外壁用水性涂料配套体系的性能
按照表10所示的涂装工艺要求，采用空气喷涂施工，对喷砂除锈处理的钢板分别喷涂配套方案1——水性环氧底漆＋水性聚氨酯面漆，配套方案2——水性环氧富锌底漆＋水性环氧云铁中间漆＋水性聚氨酯面漆，制作液压油缸外壁用水性涂料配套复合涂层样板，室温自干养护7 d后依据HG/T 4761—2014标准和客户指定液压油缸外壁用水性涂料涂装配套体系性能指标要求(表1)进行各项性能测试，实验结果如表11所示。
由表11可知，本实验制备的水性液压油缸外壁用水性涂料配套体系选用了高羟基的水性丙烯酸分散体，研制的水性聚氨酯面漆交联密度高，具有优异的耐水、耐酸碱性能，各项性能指标远远超过HG/T4761—2014《水性聚氨酯涂料》标准要求。为客户提供配套方案1和方案2的耐中性盐雾测试分别超过1 000h和2 100 h，明显优于市场上同类产品的耐中性盐雾性能；环氧类产品对底材具有极高的附着力，配套复合涂层的拉开法附着力分别达到12 MPa和14 MPa，满足客户对产品性能指标的要求，优异的层间附着力能够保障涂装后的液压油缸在使用过程中受到碰撞时涂膜不开裂、不脱落，提供持久、高效的防护作用；由于水性环氧富锌底漆的表面粗糙度高于水性环氧底漆，配套方案2的光泽(90.8%)略低于配套方案1(91.5%)，但均能够满足客户要求；液压油缸长期处于油渍环境工作，对耐液压油性能提出了新要求，本实验制备的水性涂料配套复合涂层耐46#液压油超过2 800 h以上，远满足于客户性能指标要求480 h。
综上所述，依据客户液压油缸使用腐蚀环境R2和R4I的要求，本实验研制液压油缸外壁用水性涂料配套体系，分别为客户提供配套方案1和方案2应用于液压油缸的涂装防护，各项性能不仅满足HG/T 4761—2014《水性聚氨酯涂料》标准要求，也能够满足表1所示客户使用性能指标的要求，在当前严峻的环保形势下，给客户提供了高性能、环保的水性涂装解决方案。
3 结 语
(1)通过对比实验，选用国产水性羟基丙烯酸分散体S02(固含量45%±1%，固体树脂—OH值4.2 mgKOH/g)制备液压油缸外壁用水性丙烯酸聚氨酯面漆，涂膜60°光泽为92.6%，硬度为H，具有较好的柔韧和附着力，综合性能更佳。
(2)亲水性多异氰酸酯H01与树脂相容性好、易分散均匀，但耐化学品性能不如低黏度疏水性多异氰酸酯H02，通过将两种水性异氰酸酯固化剂复配使用，当m(H01)∶m(H02)为3∶1时涂膜综合性能最佳。
(3)研制的液压油缸外壁用水性涂料配套体系，各项性能不仅满足HG/T 4761—2014 《水性聚氨酯涂料》标准要求，也能够满足客户使用性能指标的要求，具备巨大的市场潜力。
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