摘要：本文針對極寒地區(qū)鋁輪轂透明粉末涂料的低溫脆化問題，基于涂層低溫脆化機理，采用“降低T g”與“引入柔性鏈段—極性基團協(xié)同網(wǎng)絡(luò)”的策略，成功開發(fā)出一種高性能透明粉末涂料。通過優(yōu)化樹脂體系、增塑劑、增韌劑及硅烷偶聯(lián)劑的種類與用量，該涂料在-40 ℃下展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性、附著力和抗碎石沖擊性能，同時滿足高透明度與高耐候性的外觀要求。實驗結(jié)果表明，該涂料全面滿足鋁輪轂涂裝技術(shù)標準，為鋁輪轂在極寒氣候下的可靠應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。
0 引言
極寒地區(qū)因其特殊的地理環(huán)境與氣候特征，對于各類工業(yè)產(chǎn)品及零部件的性能提出了極為嚴苛的要求。鋁輪轂作為汽車等交通工具的關(guān)鍵零部件之一，在極寒地區(qū)的使用場景中也面臨著諸多挑戰(zhàn)。特別是在極低溫環(huán)境下，其透明面漆涂層發(fā)脆、機械性能驟降等，進而影響鋁輪轂的使用壽命與整體性能。
本文基于涂層低溫脆化機理，通過樹脂體系與功能助劑協(xié)同優(yōu)化，研制出適用于極寒地的鋁輪轂用透明粉末涂料。該涂料在-40 ℃下仍保持優(yōu)異的柔韌性、附著力和抗碎石沖擊性能，同時滿足高透、高耐候的罩光外觀需求，為極端氣候條件下鋁輪轂可靠服役提供了新解決方案。
1 試驗部分
1.1 原材料
丙烯酸改性聚酯樹脂(A、B、C、D)，擎天材料科技有限公司；TGIC(三羥甲基丙烷三縮水甘油醚)，市售；增塑劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，市售；增韌劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，市售；硅烷偶聯(lián)劑(KH-550、KH-560、KH-570)，市售；其他助劑(流平劑、安息香、光亮劑等)，市售。
1.2 主要設(shè)備
原料預混階段使用DFY-500型小型粉碎機(溫嶺市林大機械)；擠出階段使用SLJ-30型雙螺桿混煉擠出機(東輝機械)；粉末涂料噴涂使用諾信靜電噴槍；粉末固化階段使用GPH-30型精密高溫烘箱(愛斯佩克環(huán)境儀器有限公司)。粒徑控制階段使用ACM-02超微磨粉系統(tǒng)(煙臺東源化工)。物性表征儀器包括DSC-200差示掃描量熱儀(上海和晟)、HS-SS-1A 耐碎石沖擊試驗機(上海和晟)、QCJ漆膜沖擊試驗機(華國精密)、120型鹽霧試驗箱(萊斯德)、恒溫水浴箱(海達儀器)、TC-XD-150氙燈耐氣候試驗箱(天誠儀器)等。
1.3 粉末涂料及涂層制備
依照既定配比精確稱量各組分，先用小型粉碎機進行初步均化，隨后置于設(shè)定溫區(qū)的雙螺桿擠出機中熔融擠出；所得片料經(jīng)冷卻破碎、篩分后，進行靜電噴涂及熱固化成膜，最終對涂層性能進行檢測。
1.4 性能測試
按GB/T 1732測試沖擊性能；用目測方法判斷涂膜外觀；按GB/T 13448測試T彎性能；按GB/T 6739測試鉛筆硬度；按GB/T 1732測試沖擊性能；按GB/T 10125測試CASS性能及中性鹽霧性能；按GB/T 1733測試耐水性能；按ASTM D3170測試碎石沖擊性能；按GB/T 1865測試氙燈老化性能。
2 結(jié)果與討論
2.1 原因分析
涂層在低溫下發(fā)脆，其根本原因是當溫度降到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度T g以下時，樹脂分子鏈段被“凍結(jié)”，材料由韌性迅速轉(zhuǎn)為玻璃態(tài)硬脆體；與此同時，溫度下降過程，涂層與基體因熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生熱應(yīng)力，見式(1)，使本就因缺陷而脆弱的涂層更易在微小外力或熱沖擊下瞬間開裂、剝落，表現(xiàn)出低溫脆性[1]。
2.2 透明罩光體系的設(shè)計與優(yōu)化
本文面向鋁輪轂透明罩光面漆的極寒服役需求，綜合耐候、力學與施工性三重指標進行體系遴選。丙烯酸體系憑借高光澤、高飽滿度及卓越耐候性在工業(yè)端占主導，但其剛性主鏈導致韌性不足；聚酯/PRIMID與聚氨酯體系在厚噴條件下易出現(xiàn)針孔，現(xiàn)場施工窗口受限；傳統(tǒng)聚酯/TGIC體系因柔性鏈段豐富而展現(xiàn)優(yōu)異力學性能，但透明度與耐候等級略遜于丙烯酸體系。
權(quán)衡上述利弊，本文采用丙烯酸改性聚酯樹脂與TGIC固化相結(jié)合的雜化體系：利用丙烯酸鏈段賦予高光澤、高耐候及高透明度的表面特性，同時引入聚酯柔性鏈段和適度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)同提升低溫韌性和熱應(yīng)力耐受能力，從而實現(xiàn)極寒環(huán)境下鋁輪轂涂層的長效防護與外觀保持。
2.3 丙烯酸改性聚酯樹脂的篩選與極寒適應(yīng)性評估
本文對四種丙烯酸改性聚酯樹脂進行了系統(tǒng)評估，以TGIC為固化劑(依據(jù)樹脂的酸值足量添加)，其結(jié)果如表1：
表1結(jié)果表明，常溫條件下，隨酸值在一定范圍內(nèi)遞增，交聯(lián)密度呈正相關(guān)提升，力學性能亦同步增強。然而，置于極寒(-40 ℃)環(huán)境后，各涂層均出現(xiàn)不同程度的力學衰減與附著力劣化。同時外觀評估顯示，樹脂A、B表面平整，無桔皮缺陷；樹脂C、D則出現(xiàn)明顯弊病。權(quán)衡外觀、力學及極寒適應(yīng)性，黏度3000~3500 mPa·s、酸值為30~34 mgKOH/g、樹脂T g為45 ℃的樹脂B綜合性能最優(yōu)，故確定其為主體樹脂。
2.4 外增塑下涂層Tg調(diào)控及低溫脆化抑制評估
受限于樹脂分子設(shè)計的“硬段”桎梏，單憑其本身無法拆解低溫脆化困局，需引入外助策略聯(lián)合發(fā)力；在眾多選項中，降低涂層T g的邊際收益最高，故優(yōu)先列為研究突破口。實現(xiàn)路徑上，首先考慮引入增塑劑：其分子可插層于聚酯鏈段之間，削弱分子間作用力、抑制微晶生成，使鏈段在低溫下仍具備足夠的運動能力，從而顯著降低涂層T g并同步提升柔韌性[2]。為篩選最適配的增塑體系，本文系統(tǒng)評價了數(shù)種市售增塑劑，其性能對比列于表2。
表2表明，適量增塑劑可顯著降低涂層T g并提升-40 ℃下涂層的沖擊韌性與附著力；其中鄰苯二甲酸酯類與癸二酸酯類效果最為突出，但前者在低溫易發(fā)生遷移析出，導致表面失光。綜合外觀與性能保持，本文選用癸二酸酯類增塑劑。
同時通過系統(tǒng)試驗確定其最佳添加量為0.5~1.5%(質(zhì)量分數(shù))：低于0.5%時增塑作用不明顯，高于1.5%則易引發(fā)流掛及粉末發(fā)粘等缺陷。
2.5 增韌劑對涂層常溫與極寒條件下韌性的影響
為了進一步提高涂層的韌性，本文評估了不同增韌劑對涂層在常溫(25 ℃)及極寒(-40 ℃)環(huán)境下T彎性能的影響，結(jié)果如表3：
從表3可以看出，改性熱塑性樹脂在兩種溫度下均展現(xiàn)出最優(yōu)的增韌效果，其T彎性能分別達到1T和2T，明顯優(yōu)于其他增韌劑。綜合考慮其低溫韌性、與基材的相容性及環(huán)保特性，本文最終選定改性熱塑性樹脂作為涂層的主體增韌劑。
經(jīng)過系統(tǒng)的試驗評估，我們確定了改性熱塑性樹脂的最佳添加量范圍為1.0%至3.0%(以質(zhì)量分數(shù)計)。當添加量低于1%時，增韌效果并不顯著，無法充分發(fā)揮其增韌作用；而當添加量超過3%時，雖然仍能提供一定的增韌效果，但邊際效益遞減，同時成本的增加變得不再經(jīng)濟。
2.6 硅烷偶聯(lián)劑對涂層附著力提升的評估
涂層附著力是衡量其在極寒環(huán)境下穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標。在前期研究中，盡管通過樹脂改性、增塑與增韌等手段優(yōu)化了涂層性能，但在極寒條件(-40 ℃)下，附著力仍存在進一步提升空間。為此，本文引入了硅烷偶聯(lián)劑。
通過系統(tǒng)評估三款常見硅烷偶聯(lián)劑(KH-550、KH-560、KH-570)在不同添加量(0.1%、0.3%、0.5%)下的性能表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當添加量為0.3%至0.5%時，這些偶聯(lián)劑均能在-40 ℃條件下將涂層附著力從1級提升至0級。
在對比中，KH-570因與丙烯酸改性聚酯-TGIC體系相容性最佳，不僅顯著增強了附著力，還提升了涂層的耐候性。其甲基丙烯酰氧基可與聚酯樹脂中的不飽和雙鍵共聚，形成穩(wěn)定化學鍵，同時其甲基封端結(jié)構(gòu)降低涂層表面能，使涂層更均勻分布于基材表面，減少孔隙率[3]。
因此，KH-570 被 確 定 為 最 佳 選 擇 ，其 添 加 量 為0.3%~0.5%。在此添加量區(qū)間，KH-570不僅能顯著增強涂層在極寒環(huán)境下的附著力與耐候性，還能避免因添加量過多而導致粉末耐結(jié)團性能大幅下降，從而為鋁輪轂在極端氣候條件下的可靠應(yīng)用提供了有力保障。
2.7 技術(shù)要求與目前產(chǎn)品水平
通過“降低T g”與“引入柔性鏈段—極性基團協(xié)同網(wǎng)絡(luò)”的策略，本文成功開發(fā)出了一種專為極寒區(qū)域設(shè)計的透明粉末涂料。該涂料的性能與鋁輪轂涂裝技術(shù)要求的對比如下表4所示。
3 結(jié)語
本文深入探究了鋁輪轂透明粉末涂料在極寒環(huán)境下的性能衰減機制，并通過協(xié)同優(yōu)化樹脂體系、增塑劑、增韌劑及硅烷偶聯(lián)劑的種類與用量，成功開發(fā)出一種專為極寒地區(qū)設(shè)計的高性能透明粉末涂料。該涂料在-40 ℃的極端低溫條件下，依然展現(xiàn)出卓越的柔韌性、附著力和抗碎石沖擊性能，同時滿足高透明度與高耐候性的外觀要求。為鋁輪轂在極寒氣候下的可靠應(yīng)用提供了堅實的技術(shù)保障，具有顯著的實際應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻：
[1] Zhang H, Wang L. Mechanism of embrittlement in coatings at low temperatures[J]. Progress in Organic Coatings, 2019, 135: 85-92.
[2] 南仁植. 粉末涂料與涂裝技術(shù)[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2014.
[3] Liu X, Zheng S. Impact of silane coupling agents on the properties of coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2016, 282: 45-52.
京公網(wǎng)安備11010802046783號
