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公司新闻

发动机专用水性涂料的研发

作者:湖南邦仕工业装备技术有限公司 时间:2018-12-11 11:37
前言
 
 
    随着涂料工业的发展,涂料在制造和施工过程中由于排放大量的有机溶剂而对环境造成巨大的污染。为限制有机溶剂的排放,涂料的固体化、无溶剂化、水性化已呈日趋壮大之势,业内人士广泛赞同的“4 E’涂料(Economy,Efficiency,Ecology,Energy 即经济、高效、环保、节能)即是指上述涂料。汽车发动机用涂料也不例外,高档汽车用发动机及出口型的发动机企业先提出了用漆水性化的要求。由于水性涂料与溶剂型涂料相比较,存在着诸多不同,因而在使用水性涂料时,只有充分了解水性涂料的特点,才能设计出科学合理的配方及喷涂工艺。水性涂料的特点:水性涂料与溶剂型涂料相比具有低挥发速率、高表面张力、高导电性、腐蚀性以及易产生气泡的特点,因此水性涂料在配方设计和施工工艺方面与溶剂型漆相比有所不同。水性涂料使用的主要溶剂(水)与溶剂型涂料使用的一些常用溶剂在挥发速率、蒸发潜热、沸点、溶点、爆炸极限、闪点、介电常数有较大的差别,水性涂料中水的挥发主要是通过控制喷漆室的温度和湿度来进行控制的,而溶剂型漆是通过调整稀释剂的蒸发速率来调整涂料的施工固体份。水性色漆的施工固体份通常为20% ~30%,而溶剂型色漆的施工固体份则高达40% ~50%,因此水性色漆的平滑性较好。涂料流变性的控制技术是水性涂料的设计关键。当水性涂料喷涂时,在高剪切力的状态下,水性涂料的粘度迅速下降,以保证涂料具有良好的微粒化效果;当剪切力消除后,又迅速恢复高粘度状态,从而保证了金属颜料良好的定向效果以及抗流挂性能。
 
汽车用发动机原来一直使用溶剂型涂料,采用的种类有丙烯酸环氧漆、单组份丙烯酸面漆、单组份丙烯酸聚酯环氧富锌漆、环氧树脂粉末涂料、丙烯酸罩光清漆、有机硅高温漆等。
 
对于现有发动机的涂装,总量不是很大,但作为一个项目,发动机采用的油漆有它自已的特殊要求,发动机整体涂装时,一个发动机装配有各种材质的配件,包括铸铁、镀锌件,橡胶塑料件、胶管、不锈钢件、还有铝合金件,所以开发的水性漆要对各种材质上有较好的附着力。另外因为涂装完后的整机还有一些配件没有喷漆,所以组装完成后还需要局部喷涂罩光清漆,喷涂水性漆后还要考虑与罩光清漆的配套性问题。同时要求整机作耐盐雾试验要96小时。从一开始本公司选用了水性环氧树脂作为主要的成膜物质。后经过试用主要是水性环氧树脂在外观上没有光泽,后改用水性聚氨酯树脂作为主要的成膜物质。
 
本公司开发的水性发动机专用配套涂料经过多次在玉柴发动机上作检测及试验,最终选用水性聚氨酯类的单组份树脂作为用漆的树脂,下面介绍水性环氧及水性聚氨酯类漆与溶剂型类油漆在关键指标上的比较及研发过程。
1 试验部分
 
 
 
1.1试验用原材料
 
水性环氧树脂及水性环氧固化剂(壳牌及自制的环氧乳液)、水性聚氨酯树脂、BYK及EFKA的多种助剂、AMP-95、乙二醇丁醚、三聚磷酸二氢铝、云母粉、硫酸钡、膨润土等

 

序号

检验项目

单位

技术指标

试验方法

1

颜色

/

符合样板

      目测

2

细度

μm

25

   GB/T 1724

3

表干时间(25℃)

min

10

   GB/1728

4

实干时间(25℃)

h

12

GB/1728

5

粘度(25℃)

s

50

-4粘度计

6

光泽度

%

30

GB/T 9754

7

附着力

1

GB/T 1720

8

硬度

/

≥B

GB/T 6739

9

柔韧性

mm

1

GB/T 1731

10

冲击强度

kg

40

GB/T 1732

11

耐水性

 h

120

QC/T 484

12

耐机油性

48

HG/T 3343

13

耐柴油性

h

48

HG/T 3343

14

耐碱性(10g/LNaOH)

24h, 无变化。

GB/T 1763

15

耐盐雾性

h

96

QC/T 484

16

耐热性

/

150℃烘3h,漆膜不龟裂、不起泡。

GB/T 1735

17

苯含量

%

专业机构检测

18

二甲苯含量

%

40

同上

19

包装

/

HG/T 2457

目测


1.3发动机专用水性环氧涂料的制备
 
环氧树脂涂料具有优异的附着力、耐磨性、耐化学药品性等特点,是工业防腐涂料领域应用最广泛、最重要的涂料品种之一。国外自20世纪50年代就开始环氧树脂涂料的水性化研究。水性环氧树脂体系既有水稀释型的,又有水乳型的。
 
自乳化型水性环氧树脂涂料是将极性基团,如聚氧乙烯基团引入环氧树脂分子骨架上,所得的环氧树脂不用外加乳化剂即能分散于水中形成乳液,称为第三代水性环氧树脂涂料。这种方法制得的粒子较细,通常为纳米级,能制得高性能的水性工业涂料,正在被不断推广。在第三代水性环氧树脂涂料中一组分为中、高相对分子质量的环氧树脂乳液,另一组分为水分散型环氧固化剂。由于使用的环氧树脂的相对分子质量大,具有较高的 ,仅凭水分的挥发就可以表干,通常表干时间为0.5 h;另外,由于固化剂需要从水相迁移到环氧树脂乳液中,从而降低了反应物浓度,延长了涂料适应期;并且由于环氧树脂是水分散体形式,固化剂不必起乳化剂作用,就可以做得亲油一些,改善其与环氧树脂的相容性,改进了成膜过程,提高了涂膜的耐水性和耐腐蚀性,所以本公司开发的水性环氧涂料既具有较好的物理性能,以同时具备较高的耐盐雾性能。
 
水性环氧涂料基本配方:
 
A组份:水性环氧乳液:30-40%;PH调节剂:0.5-1.0%;消泡剂:1-3%;分散剂:1-2%;防沉剂:2-3%;填料:15-20%;颜料:5-10%;水:15-25%
 
B组份: 水性环氧固化剂:10-15%;乙二醇丁醚:5-10%;分散剂:1-2%;防锈颜料:15-25%;制作含铝粉的面漆时将铝粉加入B组份。
 
水性环氧涂料检测情况及整车喷涂后情况:
 
铁红色经过120小时耐盐雾检测合格,其他指标均能满足发动机的要求,经过与工厂协商后上机进行了一台试喷(在出口发动机上试用,颜色为铁灰色),照片如下:施工后整机因没有光泽给人整体不好的感觉,后面进行罩光清漆的施工,与清漆的配套不好,喷漆后表面出现大量的气泡,整机重新除漆后再重喷。试验不成功。
 
 
 
 
 
 
 
 
1.4水性聚氨酯涂料的制备
 
单组分水性聚氨酯涂料是应用最早的水性聚氨酯涂料, 具有很高的断裂延伸率( 可达8 0 0 % ) 和适当的强度( 2 0 M P a ), 并能常温干燥。因为高相对分子质量聚合物不能形成良好而稳定的水分散体, 所以传统的单组分水性聚氨酯涂料通常相对分子质量较低或交联度低。并且在其结构中存在亲水性基团, 在干燥固化过程中, 如果成盐剂不能完全逸出, 那么亲水性基团会残留在体系中, 则涂膜耐水性差。而且单组分聚氨酯水分散体涂膜的耐化学性和耐溶剂性不良, 涂膜硬度、表面光泽度和鲜艳性较低。
 
为进一步提高单组分水性聚氨酯涂料的机械性能和耐化学品性, 可引入反应性基团进行交联或复合改性基料来提高涂料性能, 选用多官能度的反应物, 如多元醇、多异氰酸酯和多元胺等合成具有交联结构的水性聚氨酯分散体; 添加内交联剂, 如碳化二亚胺、甲亚胺和氮杂环丙烷类化合物; 采用热活化交联和自氧化交联等。与环氧树脂复合, 将环氧树脂较高的支化度引入到聚氨酯主链上, 可提高乳液涂膜的附着力、干燥速率、涂膜硬度和耐水性; 与聚硅氧烷复合制备低表面能、耐高温、耐水、耐候性和透水性良好的复合乳液; 与丙烯酸复合, 将聚氨酯较高的拉伸强度和抗冲强度、优异的柔性和耐磨损性能与丙烯酸树脂良好的附着力和外观、低成本相结合, 制备高固含量、低成本的聚氨酯一丙烯酸( P U A ) 复合乳液。
 
 
1.4.1 水性聚氨酯涂料配方:
 
  水性聚氨酯树脂:40-50%;AMP-95:0.5-1%;分散剂:2-5%;消泡剂:5-8%;防沉剂:2-5%;颜填料:20-30%;水:20-30%;增稠剂:1-2%(调整至粘度合格)。
 
 
1.4.2 水性聚氨酯涂料重点作了耐盐雾检测,而后根据水性环氧漆喷漆过程出现的附着力及施工配套的问题进行了多次的重复试验。水性聚氨酯涂料表干后尽快进行溶剂型丙烯酸罩光清漆的施工,表面没出现起泡和咬底的现象。
水性漆使用过程中与油性漆的对比
 
 
 
水性漆在国内各行业的推广时间均不是很长,在推广的过程中本人也发现有不少的的问题需要涂料研发单位和施工单位在涂料性能及使用过程中与油性漆的差异有一个明确的认识,从理论上及施工现场的管理上为水性漆的推广提供良好的环境。比如水性漆在湿膜附着力上与油性漆的表现完全不一样,水性漆在没有实干前是没有漆膜强度和附着力的,但有的厂家在油漆表干后就开始进行配件的安装和包装,因为油漆有湿膜附着力。
结束语
 
 
 
溶剂型涂料和水性涂料的根本区别在于:溶剂型涂料使用了有毒、有污染、可燃烧的有机溶剂作为稀释剂,而水性涂料主要使用自来水作为稀释剂。尽管水性涂料的性能还需要完善,但它替代油性漆是大势所趋,因此进行水性涂料施工工艺的研究十分重要。我们在进行水性涂料喷涂工艺设计时,对水性涂料的使用和生产单位及一些相关技术资料进行总结,以供同行们在进行相关设计时参考。
 
通过在发动机上的试用和检测,本公司推荐采用水性聚氨酯系列的涂料作为发动机的涂层,在涂膜性能及外观上都能满足现有发动机的涂装要求。