0引 言
近年來(lái)，國(guó)家對(duì)VOC（volatile organic compound, 揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放問(wèn)題日益重視，陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)的政策法規(guī)，引起了各行業(yè)人員的廣泛關(guān)注。從2016年提出的“十三五規(guī)劃”，到2020年的”雙碳”（2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和）目標(biāo)，都與VOC排放息息相關(guān)。而涂料的廣泛使用，是VOC排放的重要來(lái)源之一。
近年來(lái)，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅猛，帶動(dòng)了工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。由于工程機(jī)械產(chǎn)品的外型尺寸大多龐大，而涂裝作為其生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的一道工序，因而對(duì)涂料的需求量巨大。因此，工程機(jī)械成為工業(yè)涂裝VOC治理的重點(diǎn)行業(yè)，在國(guó)家、省、市的VOC治理文件中被單獨(dú)列出。減少VOC排放的方法很多，其中最直接有效的就是從源頭上減少VOC的產(chǎn)生——開(kāi)發(fā)低VOC涂料。
對(duì)于工程機(jī)械漆而言，開(kāi)發(fā)低VOC產(chǎn)品，目前的兩大主要方向是向水性化和高固體分涂料轉(zhuǎn)型。水性涂料雖然VOC排放較低，但是在施工過(guò)程中對(duì)工件表面的清潔度要求較高，對(duì)噴涂設(shè)備要求高，對(duì)施工環(huán)境的溫濕度要求也高。因此，為保證涂裝的質(zhì)量，噴涂生產(chǎn)線的施工設(shè)備也要進(jìn)行改造，這無(wú)疑會(huì)造成較多的成本增加。因此，雖然目前水性涂料已經(jīng)在汽車、集裝箱、軌道交通等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)于工程機(jī)械行業(yè)而言，水性涂料受到零件板厚和現(xiàn)有涂裝設(shè)備的限制，其水性化進(jìn)程有所制約。而且，目前水性涂料受限于技術(shù)問(wèn)題，其成本相比溶劑型涂料較高，綜合性能稍差。
高固體分涂料雖然也屬于溶劑型涂料，但是其VOC排放比傳統(tǒng)的溶劑型涂料低得多。而且，其施工條件與傳統(tǒng)的溶劑型涂料一樣，僅需對(duì)噴涂設(shè)備進(jìn)行輕微改造，即可直接切換。因此，在當(dāng)今的VOC減排壓力下，開(kāi)發(fā)高固體分涂料具有一定的優(yōu)勢(shì)。高固體分涂料目前主要以80%固體分的高固低黏樹脂為主體樹脂，這種樹脂的分子量較低，只需添加較少的溶劑也能達(dá)到較低的施工黏度，便可收到較低的VOC排放效果。但是這種高固低黏樹脂仍然存在以下問(wèn)題：第一，漆膜干性較慢，涂裝效率偏低；第二，涂料成本較高。80固體分的樹脂一般價(jià)格很高，而且羥值較高，需要消耗較多的固化劑。在當(dāng)今工程機(jī)械行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的大環(huán)境下，降本保質(zhì)是利益所驅(qū)，涂裝方面自然就要求物美價(jià)廉，因此需要在技術(shù)上有所突破，降低高固體分涂料的應(yīng)用成本，打破其被動(dòng)推廣模式。第三，厚涂噴涂時(shí)容易出現(xiàn)流掛、爆泡等問(wèn)題；第四，漆膜表面的針孔問(wèn)題；第五，使用高壓無(wú)氣噴涂施工時(shí)容易起泡。前三個(gè)問(wèn)題對(duì)樹脂的搭配選擇要求較高，而且VOC減排在目前來(lái)說(shuō)是硬性要求，因此本研究先針對(duì)這三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行解決，嘗試用干性更快、價(jià)格更有優(yōu)勢(shì)的70固體分低VOC樹脂作為主體樹脂來(lái)開(kāi)發(fā)高固體分涂料。后面兩個(gè)問(wèn)題，通過(guò)配方中助劑和溶劑的優(yōu)化處理，相對(duì)而言更容易得到解決。受限于儀器設(shè)備和時(shí)間問(wèn)題，本研究暫不作討論。
在降低VOC排放的同時(shí)，配方中使用的原材料毒性問(wèn)題也值得引起重視。有機(jī)錫催化劑，是一種傳統(tǒng)的聚氨酯涂料固化促進(jìn)劑，其催化效果較佳。但是，由于有機(jī)錫化學(xué)物是一種內(nèi)分泌干擾物，其毒性較大，對(duì)人體和環(huán)境都有較大的危害。因此，世界上很多國(guó)家都早已制定了相關(guān)的法律法規(guī)來(lái)對(duì)有機(jī)錫化合物在不同領(lǐng)域的使用加以限制或禁用。我國(guó)也在GB/T 18885-2009 《生態(tài)紡織品技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)多種有機(jī)錫化合物作了嚴(yán)格限制。未來(lái)，在涂料行業(yè)中的使用限制也將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。因此，本研究嘗試使用環(huán)境友好型催化劑應(yīng)用于低VOC工程機(jī)械漆，并與有機(jī)錫催化劑進(jìn)行性能對(duì)比。
對(duì)于涂料而言，降低VOC與提高干性，提高干性與保持活化期這兩組性能相互之間是比較矛盾的，只能盡可能在這三者中找個(gè)平衡點(diǎn)。本研究的目的是在滿足VOC排放國(guó)標(biāo)的前提下，可以大幅度的提高干性，并保持較長(zhǎng)的活化期。由前面的研究《高性能低VOC汽車修補(bǔ)漆2K清漆的開(kāi)發(fā)與研究》中可知，70%固體分的ACR6736A樹脂的VOC較低，而且干性較快、外觀優(yōu)異。而80%固體分的ACR6851A因其超低VOC排放，早已在市場(chǎng)上得到應(yīng)用，但和其他同類產(chǎn)品一樣，因干性問(wèn)題限制了其廣泛應(yīng)用。因此，本研究使用ACR6736A作為主體樹脂，搭配ACR6851A，對(duì)配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制得了一款漆膜干燥速度很快并且能兼顧VOC和活化期的工程機(jī)械實(shí)色漆，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料
羥基丙烯酸樹脂（ACR6736A、ACR6851A）：廣東迪愛(ài)生彤德樹脂有限公司；鈦白粉（Ti-Pure R902+）：DuPont；碳黑（6#）：Evonik；分散劑（4310）：EFKA；流平劑：YCK；有機(jī)錫催化劑（Dabco T-12）：Air Products；環(huán)境友好型催化劑（Kat 0243）：Borchers；環(huán)境友好型催化劑（Kat 22）：Borchers；聚酰胺蠟漿（NT3600）：深圳羅克斯；固化劑（TMA-100）：Asahi KASEI；二甲苯（XYL）、醋酸丁酯（BAC）：市售。以上均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。
1.2 實(shí)驗(yàn)配方
色漆的參考配方如表1所示。
表1 2K色漆參考配方
1.3 色漆制備工藝
色漆制備配方如表1所示。
（1）按配方依次加入原料1~5，用快手研磨3~4 h至細(xì)度<10 μm，制得色漿。
（2）在所得色漿中，依次加入原料6~9，用分散機(jī)以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速分散5 min，制得2K色漆的A組份。
（3）按比例將A組份與B組份混合均勻，加溶劑開(kāi)稀到合適黏度即可進(jìn)行噴涂。
1.4 性能測(cè)試項(xiàng)目及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
主要性能檢測(cè)項(xiàng)目及其檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
表2 性能檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)
2結(jié)果與討論
2.1 不同顏基比對(duì)色漆性能的影響
由于VOC減排是涂料行業(yè)目前的硬性要求，本研究基于70固體分的ACR6736A樹脂作為主體樹脂、搭配部分的80固體分的ACR6851A樹脂做漆，通過(guò)調(diào)節(jié)樹脂和顏料的不同添加量，設(shè)定了顏基比（P/B）分別為1.12、0.80和0.70的三個(gè)配方，重點(diǎn)對(duì)其施工固含和VOC進(jìn)行研究，并對(duì)其光澤和外觀等進(jìn)行研究，測(cè)試結(jié)果如圖1和表3所示。
圖1 不同顏基比配方的施工固含對(duì)比
由圖1可知，在施工黏度22s時(shí)， P/B=1.12、P/B=0.88和P/B=0.70時(shí)，其色漆對(duì)應(yīng)施工固含分別為67.38%、67.03%和65.18%。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 23985-2009的方法計(jì)算可得，VOC含量分別為415g/L（P/B=1.12）、404g/L（P/B=0.88）和411g/L（P/B=0.70），具體如表3所示。
表3 不同顏基比配方的性能對(duì)比
由表3可知，三個(gè)配方均能滿足國(guó)標(biāo)《GB/T 38597-2020》中規(guī)定的工程機(jī)械面漆的VOC排放限值（≤420g/L）。其中， P/B=0.88配方的VOC最低，而且其光澤、外觀都比較優(yōu)異。由于VOC排放是本研究中的重點(diǎn)，因此確定以P/B=0.88作為最佳顏基比繼續(xù)進(jìn)行配方的優(yōu)化。
2.2 不同催化劑對(duì)色漆性能的影響
傳統(tǒng)的T-12有機(jī)錫催化劑的催化活性極高，但對(duì)人體和環(huán)境危害較大。因此，本研究嘗試使用兩種不同類型的環(huán)境友好型催化劑——Kat 0243（有機(jī)鉍和有機(jī)鋰）、Kat 22（有機(jī)鋅），與T-12進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表4所示。
表4 不同催化劑性能對(duì)比結(jié)果
由表4可知，用 T-12催化劑的漆膜的表干、實(shí)干和前期硬度增長(zhǎng)速度最好，但活化期明顯最短，僅有1 h。Kat 22的活化期雖然最長(zhǎng)，后期硬度增長(zhǎng)也不錯(cuò)，但表干、實(shí)干和前期硬度增長(zhǎng)均比較差。相對(duì)而言，使用Kat 0243催化劑時(shí)的干性和活化期比較均衡，前期和后期的硬度增長(zhǎng)綜合較快，活化期長(zhǎng)達(dá)3 h，而且20度角光澤最好。因此，綜合考慮，使用Kat 0243催化劑，在本研究體系中的效果最好。
2.3 不同蠟漿添加量對(duì)色漆性能的影響
聚酰胺蠟由于其獨(dú)特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予涂料體系強(qiáng)大的觸變性能，具有很好的防流掛和一定的防沉性能，在涂料中發(fā)揮重要作用。蠟漿的添加量對(duì)于漆膜的性能有重要的影響，如果添加量過(guò)低，防流掛作用不明顯。如果添加量過(guò)高，又可能會(huì)對(duì)涂料的VOC、漆膜的外觀產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)也會(huì)造成涂料成本增加。因此，需要對(duì)其最佳添加量進(jìn)行研究。本研究中使用環(huán)保型的NT3600蠟漿，設(shè)定了添加量分別為1%、2%和3%的不同配方，并對(duì)其性能進(jìn)行研究，測(cè)試結(jié)果如表5所示。
表5 不同蠟漿添加量的對(duì)比結(jié)果
由表5可知，當(dāng)NT3600的添加量為1%時(shí)，防流掛效果已經(jīng)有一定的提高，光澤和外觀基本沒(méi)有影響。VOC雖然有輕微的增加，但仍然可以滿足國(guó)標(biāo)要求。而當(dāng)NT3600的添加量超過(guò)1%時(shí)，防流掛效果雖然很好，但對(duì)涂料的VOC、對(duì)漆膜的20度角光澤和外觀都有比較明顯的影響。因此，在本研究體系中，NT3600蠟漿的最佳添加量為1%。
2.4 常規(guī)低VOC色漆對(duì)比
由前面的研究可知本研究中最優(yōu)的配方搭配為P/B=0.88、使用Kat 0243催化劑、NT3600蠟漿的添加量為1%。在同等顏基比條件下，將優(yōu)化配方（ACR6736A+ACR6851A）與常規(guī)單獨(dú)用80固體分的樹脂（ACR6851A）制成的低VOC色漆作全面的性能對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表6所示。
表6 與常規(guī)低VOC色漆性能對(duì)比結(jié)果
注：干性硬度性能測(cè)試室溫為26~30℃；相對(duì)濕度為30~40%。
由表6可知，無(wú)論是自然干燥還是加溫烘烤，優(yōu)化配方色漆的干性、硬度相比常規(guī)配方（單獨(dú)用ACR6851A）色漆均有大幅度的提高。而且，其光澤、防爆泡性、抗流掛性、耐候性等性能均稍好。此外，該油漆的貯存穩(wěn)定性很好，50℃貯存1個(gè)月后，其流動(dòng)性、色差、光澤均無(wú)明顯變化。
3結(jié)語(yǔ)
針對(duì)當(dāng)前工程機(jī)械面漆涂裝效率低、成本高和厚涂易流掛等問(wèn)題，本研究用70固體分的羥基丙烯酸ACR6736A為主體樹脂，搭配80固體分的羥基丙烯酸ACR6851A，制得了一款綜合性能優(yōu)異的快干型低VOC排放的2K實(shí)色漆，并對(duì)配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)和漆膜性能進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：
（1）當(dāng)顏基比為0.88、NT3600蠟漿的添加量為1%、使用Kat 0243環(huán)保型催化劑時(shí)，該色漆的綜合性能最優(yōu)，在大幅度提高漆膜干性的基礎(chǔ)上，仍然能保持較低的VOC排放和較長(zhǎng)的活化期。在施工黏度22 s (25℃，涂-4杯)時(shí)， VOC排放為404 g/L，可滿足工程機(jī)械漆的VOC排放國(guó)標(biāo)限值（≤420 g/L），而且光澤高、外觀優(yōu)異、防流掛效果好。
（2）與常規(guī)單獨(dú)用80固體分樹脂做成的低VOC色漆相比，該色漆的干性、硬度增長(zhǎng)速度有大幅度的提升，而且光澤、防爆泡性、抗流掛性、耐候性等性能均較好。
（3）該色漆的貯存穩(wěn)定性佳，50℃貯存1個(gè)月，其色差、光澤、流動(dòng)性均無(wú)明顯變化。
作者：劉裕輝，區(qū)紹昆（廣東迪愛(ài)生彤德樹脂有限公司鶴山分公司，廣東江門529700）
編輯：沈佳俊
來(lái)源：涂層與防護(hù)
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