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工程机械用粉末涂料的研究
2020年05月08日    阅读量:814    新闻来源:广州擎天材料科技有限公司  |  投稿

摘要:针对工程机械作业环境和使用要求,从粉末涂料的耐候、耐盐雾原理出发,选择了合适的树脂、固化剂与助剂;探讨了不同底粉与面粉复配对工程机械用粉末涂层的耐盐雾、光老化、冲击效果的影响;最终研制出具备优良耐候性能、耐盐雾优异、冲击性能良好的工程机械用粉末涂料。


0 引言

随着人们对环保的认识逐渐加强,客户对产品的质量要求越来越高,国家的法律法规对环保要求越来越严格。环境污染大的传统溶剂型涂装工艺已经不适应新时代的发展涂料在线coatingol.com。工程机械行业对于涂装的材料有了更高的要求。与传统的液体涂料相比,粉末涂料为百分百的固体含量,不使用溶剂或者水作为分散介质,而是以空气作为分散介质,包装运输方便,具有原材料利用率高、可回收使用、一次成膜、设备易于维护和清洁、VOC 排放几乎为零,产生的废弃物少且无毒害、总的运营成本低、涂层性能优异等优点。

工程机械是装备工业的重要组成部分。在《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》中,工程机械制造行业也被列为重点整治对象,其改造目标和路径已非常明确:推广使用粉末和高固体分涂料;积极采用机器人喷涂、静电喷涂等先进涂装技术,有机废气收集率不低于 80% 。但粉末涂料在工程机械中的大工件和结构工件上的应用依然面临很多问题,主要有工件过大以及工件结构复杂导致的烘烤不均匀,同时还面临着烘烤温度高(大型工件),局部着粉困难,需要大型的喷涂时进行喷粉,同时也面临两涂一烘工艺层级附着力问题,流平不佳等问题。而对于工程机械水性涂料来讲,还是存在 VOC 排放、工件表面预处理要求高、水分挥发慢、容易产生漆膜弊病等缺点。

工程机械粉末涂料相对于工程机械溶剂型涂料主要有以下优点:( 1 )一次上粉率较好,并可以循环利用, 涂料利用率高;( 2 )一次喷涂厚度可以达 50~300μm ,相当于溶剂型与水性涂料几道甚至十几道的厚度,可以显著减少喷涂次数,提高生产效率;( 3 )粉末涂料施工简单,对工人喷涂施工要求不高,容易掌握,而溶剂型和水性涂料对工人施工要求高,对施工环境要求较高。因此,工程机械粉末涂料相对于溶剂型涂料具有很大的优势。


1 试验部分

1.1 主要原材料

环氧树脂(二步法, E-12):南亚;钛白粉(金红石型):美礼联;硫酸钡:欣美化工;异氰尿酸三缩水甘油酯 (TGIC):鞍山润德/亨斯迈;超耐候聚酯树脂(NH9307)、高流平聚酯树脂:擎天;改性丙烯酸酯聚合物:特洛伊;附着力促进剂 (W9250 A 、W1006B 、W8700C 、W9750D):苏州帕特纳;流平剂:埃斯特伦/巴斯夫;防锈颜料(磷酸锌、磷酸铝、多聚磷酸锌钼、多聚磷酸锌铝):德国heubach;紫外光吸收剂:巴斯夫;粉末涂料通用助剂:市售。以上均为工业级。

1.2 试验设备

双螺杆挤出机、 ACM 微磨粉设备、 小型高速中药材粉碎机、冲击试验仪、静电喷枪、烘箱、盐雾试验箱、测厚仪、硬度仪、油性笔、氙灯人工加速老化仪。

1.3 基础配方

( 1 )底粉的基础配方见表 1 。

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( 2 )面粉的基础配方见表 2 。

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1.4 试验方法

按配方分别准确称取各组分,用小型高速中药材粉碎机混合均匀,用双螺杆挤出机挤出,破碎后用高速粉碎机粉碎,过 180 目标准筛,分别获得粉末涂料底粉及面粉组合物。然后将所得的粉末涂料采用静电喷涂,先喷涂底粉,然后喷涂面粉,固化时间为 180 ℃/15 min ,然后进行各项性能测试。

1.5 性能测试

按客户的各项技术指标进行检测,具体试验结果见表 8 。


2 结果与讨论

工程机械主要用于户外房屋建设、 桥梁建设、道路施工等户外需要工程建设的项目,一般都是室外施工与存放,面临风吹日晒,粉尘污染,雨水与泥水冲刷,工况恶劣,工程机械防护涂层的耐酸碱,耐腐蚀,耐候性能,耐水性能等要求比较高,但由于工程机械结构件尺寸较大,部分工件结构复杂,工件在喷涂之间要进行喷丸或者喷砂处理,然后进行涂装处理。

2.1 面粉与底粉体系选择

工程机械粉末涂料可用于户外大型挖掘机、 起重机、一体化钻孔机、大型盾构机、以及各种对户外各种严苛要求较高等设备的涂装,对涂层的防腐蚀,耐候性能,耐溶剂性能具有较高的要求,同时要求涂层具有较高的装饰性。粉末涂料用树脂的分子质量比溶剂型涂料用树脂的大, 因此涂膜的物理机械性能和耐水泥砂浆等性能比溶剂型涂料好。采用粉末涂装的工件具有更好的防腐蚀性能, 同时也能保证工程机械设备的更长时间的使用。纯聚酯 /TGIC 耐侯性能优异,耐光老化效果好,耐热性能优异,耐盐雾性能好,固化后的涂层表面细腻,具有较高的装饰性能。而 HAA 体系的耐候性能,耐酸耐碱性能,耐候效果没有纯聚酯 /TGIC 效果优异,耐酸碱性能也相对纯聚酯 /TGIC 的效果差。而对于聚氨酯、丙烯酸体系和氟碳体系,成本较高,所以可选用纯聚酯 /TGIC 作为工程机械用粉末涂料的面粉。对于工程机械用底粉,由于上面有面粉遮盖,不需要耐候性,需对底材具有良好的附着力和腐蚀防护性能,同时需要满足涂层的两涂一烘要求, 在烘烤时对面粉不能有影响和干扰, 可选用纯环氧粉末涂料、 环氧聚酯体系、纯聚酯体系。分别按以下底粉与面粉的组合进行喷涂试验。然后对涂层外观和性能进行研究。

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备注:基材为抛丸后的2 mm 铸铁板,无前处理。

由表 3 的结果可以看出, 使用纯环氧底粉和环氧聚酯底粉耐盐雾效果较好,单层聚酯面粉和聚酯底粉 +聚酯面粉效果不佳。这说明环氧树脂与基材的附着力较好, 所以纯环氧底粉与环氧聚酯底粉的耐盐雾效果优于纯聚酯底粉与单层聚酯面粉。由于环氧树脂固化后结构中存在羟基,对金属基材的附着力较好,由于聚酯树脂酸值高,反应后涂层的致密性效果好,能有效隔绝化学介质的渗透。聚酯面粉和聚酯底粉防腐蚀效果不佳。单层聚酯面粉的效果也不佳。由于纯环氧底粉与聚酯面粉体系同时烘烤时兼容性不佳, 所以选择环氧聚酯底粉。但环氧聚酯底粉与聚酯面粉的配套体系具有轻微的表面针孔,下一步对流平剂等助剂进行研究,解决该体系烘烤时的表面缺陷问题。

2.2 流平剂的选择

流平剂是粉末涂料成膜物的重要组成部分,主要用于改善涂膜表面的平整度, 可改善涂层的消泡功能,可以有效降低涂层表面张力,降低熔融过程中体系的黏度,可以使粉末涂料和工件之间具有良好的润湿性能,本研究通过选用合适的改性流平剂可解决底涂与面涂外观不佳的问题。底粉为环氧聚酯体系,面粉为聚酯 /TGIC 体系。由于涂层耐候性能要求比较高,涂层的外观流平要求较高,所以选择超耐候聚酯树脂与高流平树脂配合使用来解决涂层的耐候与流平性能和冲击性能要求。在底粉和面粉中添加相同的流平剂,制成粉末涂料,在冷轧板上直接喷涂底粉,然后喷涂面粉后进行烘烤固化,对比涂层表面效果。

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由表 4 的光老化效果可以看出, 涂层的耐候性能都比较优异,差异较小,可以看出各种流平剂对氙灯老化效果影响不大。而从整个涂层的流平效果来看,羧基丙烯酸酯流平剂与氟改性丙烯酸酯流平剂效果较为优异, 普通丙烯酸流平剂与氨基改性流平剂还是出现了小针孔,涂层出现了轻微不兼容现象。羧基改性流平剂与氟改性流平剂极性更强, 有利于整个涂层与基材的润湿效果,有利于颜料和填料的分散,所以起到了改善表面效果的作用。但由于氟改性流平剂价格较贵,所以选择了带羧基改性的丙烯酸酯流平剂。同时成本较为适合,也能得到流平性良好、表面无缺陷的涂层。

2.3 防腐蚀助剂的影响

由于工程机械很多部位为大型工件, 对于部分小型工件(薄板件),可以采取一系列的前处理方法,除油、水洗、磷化、然后烘干,然后再进行喷涂烘烤,对于许多大型工件(铸铁件),没有足够大的前处理设备来进行磷化处理,所以工件进行直接除尘、抛丸或者抛砂处理,然后直接进行粉末涂料喷涂。对于大型厚工件来讲,由于没有进行磷化处理, 直接喷涂后的工件比较容易生锈,工程机械的工作环境比较恶劣,雨水、泥泞、高温、暴晒等环境,需要喷涂底粉 + 面粉进行处理,对工程机械用粉末涂料来讲,需要底面合一涂层;需要良好的防腐蚀性能、耐候、水泥砂浆、耐溶剂等性能。在底粉中加入不同种类的防腐蚀助剂,然后喷涂同样的聚酯面粉,对整个涂层的耐盐雾性能和光老化性能,进行对比。

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从表 5 可以看出,多聚磷酸锌钼的耐盐雾效果最为优异,盐雾效果为 2 mm ,对抛丸后的工件的防腐蚀效果最好,其余 3 种防腐蚀助剂耐盐雾效果没有多聚磷酸锌钼优异,但是多聚磷酸锌钼加入后涂层附着力效果相对较差,所以要对此种防腐蚀助剂的附着力进行改善。

2.4 附着力助剂的影响

由于多聚磷酸锌钼对附着力有一定影响,所以底粉和面粉中都同时加入了不同类型的附着力促进剂对涂层附着力加以改进,底粉和面粉中加入的是同一类型的附着力促进剂。分别制成粉末后喷涂烘烤,测试整个涂层的附着力。试验结果如表 6 所示。

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从表 6 可以看出, 1# 与 2# 的耐盐雾效果较为优异, 1# 加入对涂层附着力没有明显的改善, 2# 效果附着力为 0 级,附着力较为优异, 3# 与 4# 附着力促进剂也能明显改善涂层的附着力,但是与耐盐雾没有表现出明显的协同作用,两种效果的叠加反而影响了涂层的耐盐雾效果。

2.5 固化剂的影响

TGIC 固化剂是户外粉末涂料组成中的一部分,对粉末涂料性能有直接的影响,在常温和熔融挤出情况下与树脂反应,在烘烤固化下能与树脂迅速进行交联固化反应,得到性能良好的涂层,但由于不同厂家的生产工艺不一致,对得到产物的纯度也不一致,由于TGIC 在生产过程中要使用到环氧氯丙烷,氢氧化钠等材料,生产完成后得到的 TGIC 残存氯离子,固化后涂层中也会存在。而在盐雾试验中,氯离子通过渗透涂层到达基材,然后与基材发生原电池反应。所以, TGIC的中存在的氯离子的多少会对盐雾性能好坏具有重要的影响,中性盐雾腐蚀机理如下:

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盐雾对金属材料表面的腐蚀,主要是由氯离子造成的,它有强烈的穿透能力。容易穿透金属表面的涂层和氧化层等防腐层与内部金属发生原电池反应,引起腐蚀。当盐雾沉降到金属表面时,由于空气中含有大量的水汽,水分子会慢慢渗透到涂层,然后会在涂层表面形成一层盐水膜,然后氯离子和水分子慢慢渗入涂层内部,加上部分水中溶解的氧气作用下,发生原电池反应,对基材进行腐蚀,影响涂层的附着力,然后涂层慢慢生锈脱落。所以整个涂层的致密性和助剂对基材的防护能力,涂层中残留的氯含量,对喷涂后整个工件的盐雾性能,具有非常重要的影响。将不同TGIC 固化剂做成的聚酯粉末涂料面粉,在抛丸后的铸铁件上喷涂底粉后分别喷涂两种面粉,然后进行盐雾试验。结果见表 7 。

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DSC 固化行为对比见图 1~3 。

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将 2 mm 厚的冷轧铁板进行抛丸处理,然后分别喷涂表 7 中 1# 和 2# 粉末涂料,先喷涂底粉,然后喷涂面粉,由上面结果可以看出,国产 TGIC 效果稍差,盐雾腐蚀宽度为 2 mm , 同时整个工件的腐蚀相对于进口 TGIC 严重。而进口 TGIC 盐雾腐蚀宽度为 1.8mm ,整体效果优于国产的 TGIC ,进口 TGIC 的余氯含量低,所以盐雾较好,而国产 TGIC 的余氯含量较高,所以盐雾效果相对较差,为了对工程机械结构件进行更好的防腐,选用进口的 TGIC 固化剂效果较为优异。同时对于底粉来讲,反应速度稍快,而面粉反应相对较慢一些,这样有利于底粉反应过程的小分子从涂层中逸出,有利于形成更加致密的涂层,从而对工件形成良好的防护作用。


将表 7所得的配方2# 面粉与环氧聚酯防腐蚀底粉进行组合喷涂,工件选用 2 mm 抛丸冷轧铁板,先喷涂环氧聚酯防腐蚀底粉,然后喷涂 2# 面粉,放入烤箱进行 180 ℃/15 min 烘烤。按照表 8 所示的方法进行各项性能测试。其结果见表8。

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表8的结果显示,本研究制备的工程机械用粉末涂料的两涂一烘涂层性能完全满足用户提出的指标要求。


3 结语

通过上述研究发现:采用环氧聚酯底粉和纯聚酯TGIC 的面粉能够有效的形成对铸铁基材的防护,加入改性羧基流平剂的作用下,能有效改善两涂一烘涂层的表面效果。另外,在底粉中加入多聚磷酸锌钼,极性官能团附着力助剂W1006B ,面粉中加入进口的TGIC,能有效对涂层进行防护,涂层的耐盐雾效果,光老化效果,耐酸碱效果均比较优异,能够对基材进行良好的保护,从而保证了工程机械的各种类型工具在工况恶劣环境中的工作情况。但是粉末涂料两涂一烘工件也存在一些问题:首先,粉末涂料的固化温度较高,对于工程机械厂家来讲,需要更高的烘烤温度,消耗更多的能源,来进行烘烤固化。其次,之前的油漆都是常温固化或者底粉固化,工程机械前处理有一部分要用到腻子,目前用的腻子不是耐高温的,目前的腻子灰应用后再使用粉末涂料喷涂容易出现鼓包、橘皮、针孔等不良影响,对于粉末涂料要开发专用配套的耐高温腻子。再次,由于粉末与之前溶剂型涂料的喷涂不一样,对于工程机械生产厂家来讲,需要重新设立专用的粉末喷涂设备与烘烤设备,这是一项巨大的工作,需要耗费较多的人力与物力。最后,由于粉末涂料喷涂面积比溶剂型涂料要多,粉末涂料可回收重复使用,利用率更高,施工操作简单。相对于溶剂型涂料来讲,粉末涂料具有环保优势。随着国家环保政策和各工程机械厂家的环保型涂料的推进,工程机械粉末涂料会逐渐替代工程机械溶剂型涂料在工程机械上的使用。


标签:工业涂料辅料与设备涂装应用技术中心粉末涂料涂装
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