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新资讯_金属底材涂料的水性涂装研究

2023-01-31 来源:茂名机械信息网

金属底材涂料的水性涂装研究

摘要:粉末涂料以其特有的环保性和优异的涂装效果运用于多个领域,但常用的静电喷涂工艺会产生大量的粉尘,维护成本较高。本文主要研究一种粉末涂料的水性涂装工艺,重点考察了环氧聚酯型粉末涂料在水性涂装过程中不同消泡剂和不同烘烤条件等因素的影响。结果表明:当水粉比为(0.65~0.75)∶1,硅油消泡剂添加量为1.5%的涂料试板于60℃干燥3min后以10℃/min升温速率升至180℃,固化15min,得到的涂层性能符合HG/T2006—2006要求,与静电喷涂效果基本一致中国机械。粉末涂料的水性涂装法工艺流程短、设备简单、操作便利、无粉尘污染,是一种环境友好、切实有效的涂装方法。

0 前言

粉末涂料的涂装主要分为热涂装工艺和冷涂装工艺,包括空气喷涂法、流化床浸涂法、静电粉末涂装法、火焰喷涂法等。其中热涂装主要以流化床浸涂法为主,冷涂装工艺主要以静电喷涂为主。虽然这2种常规涂装方法各有优势,但亦存在一些缺陷。流化床浸涂法工件预热温度决定涂层质量;浸塑时要考虑工件的材质和形状,同时要考虑树脂的熔点和分界点;工人在高温下操作的劳动强度大、工作环境恶劣等。静电喷涂法易产生法拉第效应使涂膜不均匀,对涂料有选择性使涂装效率不高,高压静电的安全性保障、粉尘使工人工作环境差等。

水性涂料的使用使溶剂大量削减,很大程度上减少生产及使用过程中挥发性有机化合物的排放。水性涂料以来源方便且易于净化的水作为溶剂来分散成膜物质,不但可以降低成本,而且可以降低生产过程的火灾危险以及粉尘浓度,提高工人工作环境的安全系数。同时水性涂料的涂装方式多样灵活,可采用喷、刷、涂等方式,容易实现自动化涂装。

鉴于此,本文针对常用粉末涂料的涂装缺陷,拟将原粉末涂料与适量的水及微量助剂混合,探索一种新的水性涂装工艺制度。

1 实验部分

实验方法

1.1 水性涂装方法

涂料准备:称量一定量混合型粉末涂料放入涂料容器,使用烧杯称取一定量水(根据实验总结确定的水粉质量比(0.65~0.75)∶1,然后加入体系总质量1.5%的硅油乳液消泡剂以及0.06%六偏磷酸钠,搅拌配制成混合液。先将部分混合液倒入称好的粉末涂料中,以400r/min的转速搅拌,随后在搅拌的涂料中继续缓慢加入剩余混合液。

金属基片预处理:将尺寸为100mm×200mm×0.3mm的马口铁片用500目的水磨砂纸打磨,然后超声清洗1min;之后用乙醇洗涤,吹干待用。

涂膜制板:将预处理好的马口铁片固定在涂膜机上,将涂膜制备器放在涂膜位置上,添加约4g已制备好的涂料,调节涂膜机的涂膜速度为10mm/s,制备涂层。涂层固化后的厚度控制为70~80μm。

试板固化:①一步直接固化法,通过水性涂装工艺制备的涂层直接放置热鼓风干燥箱中,180℃固化10~20min后晾至室温待测;②阶梯温度固化法,将制备的涂层先于60~90℃环境干燥3~6min,放置热鼓风干燥箱中,以10℃/min升温至180℃,固化10~20min后晾至室温待测。

1.2 静电喷涂方法

按照1.2.1方法预处理底板。调整好设备静电电压,粉末流速压力等参数,然后调节喷粉室达到适宜温度以及湿度。在高压静电场下,将喷粉枪接负极,底板接地(正极)构成回路,如此在底板和喷枪之间形成一个电场,最后开始进行喷涂。

1.3 性能测试

1.3.1 附着力

参照国标GB/T9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》,利用漆膜划格器对涂层附着力进行检测。

1.3.2 硬度

根据GB/T6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》检测涂层硬度性能。

1.3.3 耐冲击性

根据GB/T1732—1993《漆膜耐冲击测定法》检测涂层耐冲击性能。

1.3.4 耐弯曲

根据GB/T6742—2007《色漆和清漆弯曲试验(圆柱轴)》检测耐弯曲性能。

1.3.5 光泽

根据GB/T9754—2007《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜之20°、60°和85°镜面光泽的测定》,采用60°光泽度仪测试漆膜光泽。

2 结果与讨论

2.1 水性涂装工艺中消泡剂的影响

2.1.1 消泡剂的用量

消泡剂的用量对涂层表观性能有很大的影响。在同样的涂料配方中按照涂料体系总质量加入不同用量硅油乳液消泡剂,在阶梯温度制度下固化,系列涂层表观对比如图1所示。

从图1可见,不加消泡剂的涂层表面存在明显针孔、气泡及划痕,因为无消泡剂的涂料在与水混合过程中混入较多空气形成气泡,这些未破裂的较大气泡在涂膜制备器的推动下产生划痕,涂料内部的细小气泡最终将形成气孔。随着硅油乳液消泡剂的量从1.2%增加到1.7%,气泡被消除,涂层表观光滑、平整,均无明显气孔。实验为了效果稳定,选择消泡剂添加量为1.5%。

2.1.2 消泡剂种类影响

分别选取硅油乳液消泡剂、磷酸三丁酯、矿物油消泡剂进行对比实验,控制其他实验条件不变,加入量均为1.5%,研磨搅拌均匀,将所得涂料分别用涂膜机涂装在厚度为0.3mm的马口铁板上,在阶梯温度下固化,如图2所示。

由图2可见,使用硅油乳液消泡剂的涂层表观平滑、无划痕、无气泡,而使用磷酸三丁酯、矿物油消泡剂的试板表面有气泡拖动造成的明显划痕。这是因为磷酸三丁酯和矿物油消泡剂与水不相容,导致不能很好地分散在涂料体系中,因此不能完全发挥其消泡效果,所以本文后续实验选择硅油乳液消泡剂。

当加消泡剂的涂层进一步直接固化时,会因为涂层残留水分瞬间快速蒸发冲出涂层而导致涂层出现大量气孔。因此通过热重分析来观察涂料在升温过程中水分变化以及反应温度区间等情况。根据曲线确立得到阶梯温度固化制度,阶梯温度固化过程的影响因素主要包括蒸发时间、固化温度、固化时间,采用单因素法,研究各因素对涂层性能的影响。

2.2.1 热重分析

图3为涂料的TG和DTG曲线

由图3可知,涂料在40~90℃的温度区间质量变化较大,因此认为在40~90℃涂层水分快速蒸发,在60℃时质量峰最大,可选择60℃为蒸发温度点。当温度在120~200℃区间时,再次存在较大质量变化,从120℃此温度点开始失质量,表明有低沸点物质挥发出来,在120~200℃区间选择一个最佳烘烤温度点,烘烤一定时间。

2.2.2 蒸发时间的影响

控制其他变量不变的情况下,将涂装好的试板放在温度为60℃的热鼓风干燥箱,分别蒸发3min、6min、9min,之后升温至180℃固化15min,并与不经过蒸发直接在180℃固化的涂层作对比,如图4所示。

由图4可知,蒸发后再固化的涂层表观较为平整,而无蒸发直接固化的涂层表面有大量气孔,且表观不平整,主要由于短时间内温度升高,水分从涂层内部到表面蒸发出来,造成大量气孔,影响表观。在不影响涂层表观的情况下,考虑到节能以及稳定选择蒸发3min为宜。

涂层试样板在60℃蒸发3min,在蒸发区间上升至90℃(10℃/min)的过程中相当于还在继续蒸发,经计算,当涂层在60℃蒸发3min再升到90℃,相当于共蒸发6min。为了进一步精确蒸发时间范围,选择在蒸发区间不停留,将试样板分别放在40℃、50℃、60℃、70℃蒸发温度点以10℃/min升温速率直接升温至180℃固化,其对涂层外观的影响如图5所示。

由图5可知,当蒸发温度为70℃时,固化后涂层表面有大量清晰气孔且不平整,原因是涂层的水分从室温迅速到70~90℃环境蒸发,温度骤升导致水分快速蒸发,造成气孔,最终影响涂层。在蒸发区间,分别从40℃、50℃、60℃升至90℃的蒸发时间为5min、4min、3min,然后升温至反应区间180℃固化。通过上述实验可确定蒸发时间范围为3~6min,最后有效蒸发时间选择在60℃停留3min。

2.2.3 固化温度的影响

由图3热重分析预测涂料固化温度点可设置在120~200℃区间。实验将60℃蒸发3min后的涂层分别升温至120℃、140℃、160℃、180℃、200℃固化一定时间,通过附着力判断最佳固化温度。结果如表1所示。

由表1可以看出,当固化温度在180℃和200℃时涂层附着力均达标,而固化温度在120~160℃范围时,虽表面平整光滑,但附着力均不符合GB/T9286—1998要求。固化时间相同时,当固化温度达不到涂料完全交联反应温度时,反应不够充分,就会出现附着力不佳、涂层性能差的现象。考虑到能耗和成本,选择固化温度为180℃。

2.2.4 固化时间的影响

选取60℃蒸发3min、固化温度180℃,固定其他量不变,改变固化时间分别为5min、10min、13min、15min、17min、20min、25min。固化后观察涂层表观并检测涂层相关性能,与HG/T2006—2006要求进行对比,结果见表2。

由表2可知,随着固化时间的增加,附着力先增大后减小,固化时间为13min、15min、17min、20min时,附着力合格,不易判断最佳固化时间。但通过硬度变化曲线可知只有15min和17min时硬度合格。当固化温度达到交联所需要的温度时,固化时间决定涂层是否达到性能指标要求。若时间不够,影响涂层的物理机械性能;若固化时间太长,很容易造成涂膜附着力、硬度等机械性能下降]。根据以上实验得出,固化时间在15min和17min的涂层性能合格,15min为最佳。

项目由表2可知,随着固化时间增加,涂层的光泽、耐冲击性和耐弯曲性能都呈现先上升再下降的趋势,只有当固化时间为15min和17min时涂层性能合格,证明当固化温度达到交联反应温度时,固化时间决定涂层机械性能。

2.3 水性涂装与静电喷涂的涂层性能对比

水性涂装工艺条件为:60℃蒸发3min后,以10℃/min速率直接升温至180℃固化15min得到水性涂装涂层,与静电涂装的涂层性能对比如表3所示。

由表3可知,2种涂装工艺的涂层各项性能基本无差异,均达到国标要求。

3 结语

对粉末涂料采用水性涂装,可以降低工作环境粉尘浓度。同时,在实验中确定利用硅油乳液消泡剂去除粉体与水搅拌过程中产生的气泡,当添加硅油乳液消泡剂用量为体系1.5%时,效果稳定。利用阶梯温度固化制度对涂层进行固化,避免涂层直接固化造成气泡的同时,涂层表观、附着力、硬度等性能可与静电喷涂涂层相媲美,各项性能都达标。但水性涂装还存在不足的地方,比如涂层厚度不易控制,仍需进一步研究。

文/解文圣,宋慧平,程芳琴

山西大学资源与环境工程研究所

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