作者｜ 朱远 黄山联固新材料科技有限公司
近年来，我国一系列环保政策出台，水性涂料在金属涂装市场的份额不断提高，尤其是工程机械领域，三一重工、中联重科等等工程机械巨头纷纷上线水性涂料。工程机械涂层一般为“环氧底漆+聚氨酯面漆“两涂层体系，基于加快生产节拍、节能减排、减少人力等等的考虑，越来越多工程机械涂装线将传统的两喷两烤（2C2B）改成了两喷一烤（2C1B）：在环氧底漆未完全干透时喷上聚氨酯面漆，再进行烘烤，即所谓的“湿碰湿”。[1-3]
工程机械涂料“湿碰湿”工艺对水性漆的应用提出了很大的挑战。由于水的挥发潜热大，水性环氧底漆普遍慢干，在“湿的”环氧上喷上聚氨酯面漆，一方面环氧漆内的气泡未逸出就罩面漆，底漆内的气泡顶起表干的面层，面漆易起痱子，如图1所示；另一方面，环氧底漆的固化剂（脂肪胺）会优先和聚氨酯面漆的固化剂（异氰酸酯）发生反应，使得底漆和面漆都无法充分固化，性能变差。
图1“湿碰湿”面漆起痱子
本文以联固化学的快干环氧乳液Banco2092、快干环氧固化剂920、羟丙分散体Uacryl2150、异氰酸酯固化剂Uahard3596T为基料，开发了15min“湿碰湿”外观和性能均良好的水性工程机械底漆和面漆涂料配方。
实验部分
实验原料
表1 实验原材料表
涂料制备
将去离子水和多聚硅酸镁铝高速搅拌20min，再将分散剂、润湿剂、消泡剂依次加入分散缸中，搅拌均匀，边搅拌边加入填料，中速分散20分钟，研磨至细度25μm以下，转入调漆缸，边搅拌边加入树脂、成膜助剂、润湿剂，最后用增稠剂调整粘度。配方见表2和3。
表2 水性环氧底漆配方
表3 水性聚氨酯面漆配方
结果与讨论
水性环氧树脂的选择
“湿碰湿”需要环氧底漆在室温下快速表干，这样一方面有利于底漆内气泡的快速逸出，一方面也有利于脂肪胺分子的初步“锚定”，减少和异氰酸固化剂的反应。因此选用E20大分子环氧乳化的产品：Banco2092和竞品1、2、3。对比指触干时间，并进行15min“湿碰湿”测试。湿碰湿工艺见图2。温湿度控制在23℃50%RH，底漆面漆干膜厚度40-50um，结果见表4。
图2 “湿碰湿”工艺流程
表4 Banco2092和竞品1、2、3“湿碰湿”测试对比
由表4知，竞品1和Banco2092表干最快，15min“湿碰湿”后面漆光泽高，无痱子，但是竞品1干得太快，成膜性不佳，喷涂时容易在板的边缘开裂，见图3，从而影响了面漆的表观。而竞品2、3表干太慢，15min“湿碰湿”，面漆很多痱子，而且光泽不高。
图3 竞品1喷涂开裂现象
树脂是涂料的主要成膜物质，决定了涂膜的主要性能。Banco2092在乳液合成的过程中使用了反应型乳化剂。如图4所示，反应型乳化剂分子通过共价键键合在乳胶粒表面，相对于使用传统乳化剂，其乳液的稳定性更好，成膜速度更快。而且由于成膜后反应型乳化剂不会向界面迁移，在空气-涂膜界面和基材-涂膜界面不会出现连续亲水层，涂膜致密程度更高，疏水性和附着力更强。
图4 Banco2092结构示意图
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水性环氧固化剂的选择和优化
环氧固化剂种类对交联反应速度至关重要，影响了涂层的表干时间和初期硬度的建立。通常，为延长水性聚氨酯面漆的开放时间，使NCO和水反应出的CO2充分逸出，减少起痱子的风险，面漆里会加入大量的慢干溶剂。而在“湿碰湿”时，如果环氧底漆初期硬度不高，面漆的慢干溶剂容易对底漆“咬蚀”，影响面漆外观。这里选用两种水分散形式类型的固化剂，进行湿碰湿的对比，结果见表5。可知，Banco920和竞品1干燥速度较快，“湿碰湿”后面漆无痱子，也不咬底。这是因为分散体型的胺通常疏水亲油，加入环氧乳液时，由于亲油，固化剂会迅速“钻”进乳胶粒里发生交联反应，从而有较快的干燥速度。此外，Banco920含苯环，固化剂初期硬度也较高，可减少面漆溶剂“咬蚀”风险。
表5 Banco920和竞品1、2、3“湿碰湿”测试对比
为了提升干燥速度，在做油性环氧时，通常会在固化剂中混入一定量的叔胺类促进剂K54。但K54通常不溶于水性固化剂中。为此，选用Banco920和竞品1进行K54的干燥速度和存储测试对比，结果见表6。可知Banco920和K54相容性较好，长期存储无硬沉无析出。添加K54可以进一步缩短表干时间，添加量越大干燥速度越快。Banco920可添加K54意味着，固化剂的干燥速度可以进行有效调整。
表6 Banco920和竞品1添加K54测试对比
羟丙分散体的选择
“湿碰湿”易产生痱子，选择无泡膜厚高的羟丙分散体是基本原则。这里选用Uacryl2150、竞品1、竞品2对比，测试其在流平10min，60℃烘烤30min工艺下的无泡膜厚以及“湿碰湿”效果，结果见表7。可知，Uacryl2150的无泡膜厚最大，“湿碰湿”不易起痱子。
表7 Uacryl2150和竞品1、2、3“湿碰湿”测试对比
如图5示意图，羟丙分散体一般为核壳结构，树脂本体被辅助溶剂包裹，而Uacryl2150相对普通分散体多了很多从树脂核向外伸出的位阻基团，这些大分子的位阻基团可以在涂层完全实干之前，留有一定的微观通道，让剩余的溶剂和水有充分的时间外逸，从而使得Uacryl2150厚涂不易起痱子，面漆得到更好的流平和表面效果。
图5 Uacryl2150结构示意图
配方优化以及工艺调整
工程机械大多是喷砂钢件，本身底材不平整，涂层在上面也难达到平整，所以通常比较关注面漆60°角光泽。但随着客户对外观要求越来越高，尤其是在一些平板钢件上，如槽罐车、环卫车上，对面漆20度光泽也提出了很高的要求。从“湿碰湿”工艺的角度出发，底漆不打磨就上面漆，底漆的平整度和表面状况势必会对面漆的外观，尤其是20°光泽带来影响。
通过上面树脂和固化剂筛选，“湿碰湿”最优方案确定：Banco2092+Banco920为快干环氧底漆、Uacryl2150+Uahard3596T为聚氨酯面漆。为了提高底漆平整度，在底漆配方中加入少量的强流平剂Addsil3076。
底漆配方中填料占的比重很大，填料的种类对底漆的表面状况和耐性有很大的影响。为此，筛选不同填料，观察底漆填料对“湿碰湿”面漆光泽的影响，结果见表8。可知，底漆填料吸油量越大，面漆20°光泽越低，面漆在含有填料1的底漆有“雾蒙蒙”的外观，这可能跟底漆表面比较粗糙，填料对面漆“吸光”有关。考虑到填料1的片状结构对腐蚀介质有物理屏蔽作用，可增加耐盐雾性能，将填料1和填料3进行复配，吸油量降低，“湿碰湿”面漆20°光泽可达到83，最终“湿碰湿”后的表面效果见图6，面漆光泽和表面状况基本和单层面漆无异。
表8 底漆填料对“湿碰湿”面漆光泽的影响
图6 湿碰湿最终效果图
为了进一步提高底漆的表干时间，固化剂Banco920用乙醇开稀，结果发现，底漆喷出来有橘皮的效果，使得面漆也变橘，见图7。这可能是因为乙醇干燥太快，喷涂时会迅速挥发，影响了底漆的流平性，所以在表面效果要求高的场合，用乙醇开稀固化剂不可取。
图7 面漆橘皮照片
性能测试
对Banco2092+Banco920快干环氧单层底漆，以及它和Uacryl2150+Uahard3596T聚氨酯面漆“湿碰湿”后的复合层进行性能测试，结果见表9和10，耐盐雾照片见图9。可见，该底面配套能满足大部分工程机械涂料的性能要求。
表9 Banco2092+Banco920快干环氧底漆性能测试
表10 Banco2092+Banco920/Uacryl2150+Uahard3596T湿碰湿性能测试
图9 耐盐雾测试照片
结 语
选用联固化学的快干环氧树脂和固化剂Banco2092+Banco920，无泡膜厚高、鲜映性好的羟丙分散体Uacryl2150+Uahard3596T，混入环氧叔胺促进剂K54，筛选填料，优化配方，我们开发了可适合15min“湿碰湿”工艺、外观优秀、性能良好的水性环氧底漆和聚氨酯面漆配方。“湿碰湿”复合层20°光泽＞80，60°光泽＞90，冷轧钢板耐盐雾720h，喷砂钢板耐盐雾1000h，耐热油性好，耐温变好。该方案对有水性环氧底聚氨酯面“湿碰湿”需求的工程机械涂装客户来说是一个较好的选择。
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