為達(dá)到環(huán)保要求從源頭控制減少涂裝過程的VOCs排放，水性涂料作為4類低VOCs涂料在工程機(jī)械行業(yè)越來越廣泛應(yīng)用并成為發(fā)展方向之一。從安全環(huán)保、涂層性能、能源消耗、實(shí)施難易程度、綜合成本及投資等方面綜合分析，水性涂料具有不燃不爆，在儲運(yùn)、施工等過程無火災(zāi)危險，作業(yè)過程中對人體傷害小更加安全等優(yōu)勢。而水性涂料“濕碰濕”相比傳統(tǒng)“兩噴兩烘”簡化了工藝過程，取消了底漆烘干，節(jié)約了底漆烘干能源消耗費(fèi)用，縮短涂裝作業(yè)周期，提高了作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本。同時涂裝生產(chǎn)線減短，生產(chǎn)單元需求面積相對減少。面對挖掘機(jī)等工程機(jī)械產(chǎn)品需求的持續(xù)增長和制造成本壓力，水性涂料“濕碰濕”在節(jié)能減排方面具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用意義，可獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件所用涂料涂層要求

工程機(jī)械的設(shè)計(jì)使用年限一般為8～15a，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T30790—2014《色漆和清漆防護(hù)涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)》，一般認(rèn)為工程機(jī)械所處的工作環(huán)境屬于大氣腐蝕環(huán)境中的C3（中等）或C4(高)等級，工程機(jī)械的防腐設(shè)計(jì)屬于中期（M）耐久性。此外，市場和用戶對工程機(jī)械產(chǎn)品外觀質(zhì)量需求逐步提高，因此工程機(jī)械產(chǎn)品涂層要求應(yīng)具有較好的裝飾性、良好的機(jī)械性能、優(yōu)良的防腐蝕性和耐候性。

為滿足工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件涂層要求，雙組份環(huán)氧底漆、雙組份聚氨酯面漆為最為常見且成熟的涂層配套體系。環(huán)氧底漆是以環(huán)氧樹脂為主要成膜物質(zhì)的涂料，環(huán)氧樹脂分子鏈中沒有酯鍵，含有極性很強(qiáng)的大量醚鍵和羥基，而且2個剛性的芳環(huán)和較高的玻璃化溫度屏蔽了醚鍵和羥基，漆膜固化后形成網(wǎng)狀的三維結(jié)構(gòu)，具有極佳的附著力，耐腐蝕性和耐化學(xué)品性能優(yōu)異。雙組分聚氨酯面漆基料主要為含有羥基的丙烯酸樹脂，固化劑為脂肪族二異氰酸脂類，兩者反應(yīng)產(chǎn)生大量氨基甲酸酯鏈節(jié)，形成涂膜具有優(yōu)良的耐老化和外觀裝飾性能。同時為提高外觀質(zhì)量，需對工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件主要外觀面補(bǔ)刮原子灰，填補(bǔ)前道工序造成的工件表面劃傷、磕碰、花斑等缺陷。

2 工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件所用“濕碰濕”水性涂料配方設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

采用“濕碰濕”工藝底漆、面漆應(yīng)為相似或相同組分，具有良好的配套性。底漆、面漆全部為聚氨酯體系則較為常見和成熟。底漆為環(huán)氧體系，面漆為聚氨酯體系雖可采用“濕碰濕”的方法，但雙組分聚氨酯面漆所用固化劑（異氰酸酯）易與雙組分環(huán)氧底漆使用的固化劑（聚酰胺）發(fā)生反應(yīng)，因此“濕碰濕”涂裝時容易出現(xiàn)涂層外觀及性能不佳等問題。一般我們從涂料配方設(shè)計(jì)角度考慮會重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容。

2.1環(huán)氧底漆的配方設(shè)計(jì)

水性環(huán)氧樹脂一般選擇環(huán)氧當(dāng)量在500g/eq（基于固體）左右的雙酚A型環(huán)氧乳液，水性環(huán)氧固化劑則會有改性脂肪胺、聚胺加成物、改性環(huán)氧-胺加成物等多種結(jié)構(gòu)類型可供選擇。針對底面“濕碰濕”工藝，一般優(yōu)選相對分子質(zhì)量較大（可呈乳液狀）的改性環(huán)氧-胺加成物結(jié)構(gòu)的固化劑。固化劑分子中引入環(huán)氧樹脂鏈段可以提高固化劑與環(huán)氧樹脂的相容性，大的相對分子質(zhì)量有利于底漆的快速表干并阻止底漆固化劑向面漆層中運(yùn)動遷移，這樣可以弱化環(huán)氧固化劑與面漆異氰酸酯固化劑之間的副反應(yīng)，從而保證復(fù)合涂層的良好外觀和優(yōu)異的鹽霧、耐候性能。

環(huán)氧樹脂中環(huán)氧基團(tuán)與固化劑中活潑氫的理論摩爾比建議控制在1∶0.7左右（環(huán)氧基團(tuán)過量）。水性環(huán)氧體系是乳膠粒子集中堆積并與固化劑分子進(jìn)行滲透反應(yīng)，交聯(lián)過程與溶劑型體系不同，因此不能參照溶劑型體系常見的1∶1配比來設(shè)計(jì)漆固比例。實(shí)驗(yàn)證實(shí)水性環(huán)氧體系在1∶0.7（環(huán)氧基團(tuán)過量）配比下復(fù)合涂層的綜合性能最優(yōu)。當(dāng)然，此配比下環(huán)氧固化劑相對環(huán)氧樹脂的量是不足的，在一定程度上也有助于弱化環(huán)氧固化劑與面漆異氰酸酯固化劑之間的副反應(yīng)。

由于水的表面張力（γ=72.8mN/m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)溶劑的表面張力（如二甲苯γ=30mN/m），因此在設(shè)計(jì)水性底漆配方時一定要注意底材潤濕問題，一方面需要在配方中加入足量的基材潤濕助劑，另一方面也可考慮加入少量溶解力強(qiáng)的助溶劑，通過降低成膜過程中環(huán)氧樹脂（已由水相轉(zhuǎn)變?yōu)槿軇┫啵┑恼扯葋硖嵘撞臐櫇瘛４送猓瑢?shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)配方中加入合適的水性硅烷偶聯(lián)劑（含環(huán)氧或氨基官能團(tuán)）有助于提升水性底漆的耐鹽霧和耐水性能，但一定要注意充分考察配方的貯存穩(wěn)定性。

2.2聚氨酯面漆的配方設(shè)計(jì)

水性聚氨酯面漆的樹脂一般選擇羥基丙烯酸的二級分散體，固化劑一般選擇磺酸鹽或聚醚改性的親水型HDI（六亞甲基二異氰酸酯）固化劑。漆膜表面出現(xiàn)爆孔（“痱子”）缺陷為底面“濕碰濕”涂裝工藝最常遇到的施工問題之一，因此如何設(shè)計(jì)面漆配方延長漆膜表干時間對于提升復(fù)合涂層爆孔極限至關(guān)重要。一般來講，在樹脂選定的前提下，復(fù)配低粘度疏水型HDI固化劑是提升爆孔極限的有效途徑之一，而通過設(shè)計(jì)高沸點(diǎn)助溶劑的揮發(fā)梯度和引入合適的功能性消泡助劑，同樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合涂層爆孔極限的提升。

羥丙樹脂中羥基（OH）與固化劑中異氰酸酯基（NCO）的理論摩爾比建議控制在1∶1.3左右（NCO過量）。與前面提到的水性環(huán)氧體系的乳膠粒子集中堆積交聯(lián)過程類似，水性聚氨酯體系的交聯(lián)過程與溶劑型體系不同，同樣不能參照溶劑型體系常見的1∶1配比來設(shè)計(jì)漆固比例。特別是考慮到水性聚氨酯體系中固化劑會和水發(fā)生副反應(yīng)生成聚脲副產(chǎn)物并產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，因此，配方中水性固化劑一定是需要適當(dāng)過量的，實(shí)驗(yàn)證實(shí)水性聚氨酯體系在1∶1.3（NCO過量）配比下復(fù)合涂層的綜合性能最優(yōu)。當(dāng)然，從這里的描述也不難理解，水性體系中會有副產(chǎn)物二氧化碳?xì)怏w生成，故水性聚氨酯體系的爆孔極限比溶劑型體系差，而配方中引入合適的消泡助劑（包括抑泡劑、脫泡劑）會對提升爆孔極限有一定的幫助。

此外，考慮到水的低揮發(fā)速率和高汽化潛熱，水性涂料在施工過程中極易出現(xiàn)流掛問題。由于水分子的強(qiáng)氫鍵作用力，使得水性涂料的粘度、觸變行為與溶劑型涂料有顯著差異。一般來講，理想中的水性涂料粘度特性為：低剪切力下粘度高有助于貯存穩(wěn)定；高剪切力下粘度低有助于霧化流平；閃干過程中觸變性很快恢復(fù)不易流掛。因此，在水性聚氨酯面漆配方中需要篩選合適的流變助劑，可通過幾種非離子締合型流變助劑（提供不同剪切粘度）的搭配使用，在不影響漆膜外觀和性能的前提下，優(yōu)化配方的粘度和觸變行為，從而實(shí)現(xiàn)水性面漆良好的抗流掛和施工性。

3“濕碰濕”水性涂料在結(jié)構(gòu)件上的現(xiàn)場實(shí)踐

通過對所制備水性雙組分環(huán)氧底漆和水性雙組分聚氨酯面漆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬、樣板施工性驗(yàn)證，結(jié)合溶劑型涂料“濕碰濕”工藝流程，確定“濕碰濕”水性涂料工藝流程為：上件→遮蔽防護(hù)→除油→自動拋丸→人工清理→膩?zhàn)有扪a(bǔ)→打磨→預(yù)熱→噴底漆→噴面漆→流平→烘干→下件。水性涂料相比溶劑型涂料存在表面張力大、汽化潛熱大、水分揮發(fā)受施工環(huán)境溫度及濕度影響明顯等因素，存在不確定的風(fēng)險。“濕碰濕”水性涂料在結(jié)構(gòu)件上的實(shí)踐關(guān)鍵點(diǎn)介紹如下：

3.1涂裝前處理

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件以厚度≥5mm熱板焊接為主，一般采用自動拋丸的方式進(jìn)行除銹、除氧化皮處理。結(jié)構(gòu)件在焊接、加工等過程中使用的防飛濺劑、切削液等導(dǎo)致工件表面存在大量油污，水表面張力約為常用有機(jī)溶劑的2.5倍，對底材的表面潤濕性差，尤其是油水間極性相差大，如工件表面有少量油污極易產(chǎn)生縮孔、附著力差等問題。因此，拋丸前需進(jìn)行更加嚴(yán)格的表面除油處理措施。水性涂料涂裝過程中對底材表面清潔度要求更高，需嚴(yán)格控制使工件表面清潔度達(dá)到0-1級（GB/T18570.3—2005），噴射清理等級達(dá)到Sa2.5級（GB/T8923.1—2011）要求，且拋丸后4h以內(nèi)必須噴漆，防止二次銹蝕或污染。

3.2預(yù)熱

水性涂料相比溶劑型涂料噴涂更易流掛，結(jié)構(gòu)件表面溫度須高于空氣露點(diǎn)溫度3℃。為滿足冬季施工要求，需對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱以提高工件表面溫度。一方面可防止水性底漆噴涂易流掛問題，另一方面促進(jìn)水性底漆表干，減少底面漆“濕碰濕”之間閃干時間，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況在噴漆室前新增預(yù)熱室，采用熱風(fēng)對流循環(huán)對結(jié)構(gòu)件表面進(jìn)行加熱，為減少熱量交換的熱損失，采用效率相對較高的直燃式天然氣加熱方式。經(jīng)驗(yàn)證工件表面預(yù)熱溫度以（30±5）℃為宜，過高的溫度會影響底漆的流平和固化反應(yīng)，可能產(chǎn)生起泡、干噴等缺陷，同時浪費(fèi)烘烤能源。

3.3底、面漆噴涂

水的汽化潛熱為一般有機(jī)溶劑的5~7倍，較有機(jī)溶劑蒸發(fā)慢，且其揮發(fā)速度受環(huán)境濕度、溫度等因素影響明顯，為防止噴涂產(chǎn)生流掛、光澤不良等質(zhì)量問題，對噴漆室的溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)要求更加嚴(yán)格，噴漆室最佳環(huán)境為溫度（25±2）℃、相對濕度（50±5）%、風(fēng)速0.3~0.5m/s。水從液態(tài)變?yōu)樗魵馄潴w積膨脹約1250倍，使噴漆室中的濕度升高，當(dāng)濕度達(dá)到80%以上或溫度低于15℃，水分揮發(fā)速度明顯下降，噴涂過程中極易產(chǎn)生流掛影響涂裝質(zhì)量，因此要確保噴漆室送、排風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行正常，良好通風(fēng)能夠使涂裝過程中產(chǎn)生的水分及時排出，且在溫度低于15℃時應(yīng)打開空調(diào)加熱系統(tǒng)。

雙組分水性涂料相比溶劑型涂料活化期更短，同時為提高雙組分涂料調(diào)配精度，水性涂料采用了氣動中高壓柱塞泵供漆的2K自動調(diào)配系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)配，噴涂采用投資成本低、傳遞效率高且霧化效果好的空氣輔助無氣噴槍。設(shè)置氣動中高壓柱塞泵進(jìn)氣壓力0.20～0.50MPa，噴槍進(jìn)氣(霧化）壓力0.10～0.25MPa，底漆噴涂噴槍使用413噴嘴，面漆使用411噴嘴。

在噴漆室第一工位噴涂水性底漆，第二工位“濕碰濕”噴涂水性面漆。底面漆噴涂采用相同的施工要求，按先復(fù)雜面后簡單面，先里后外、先左后右、先上后下，先次要面后主要面的順序人工噴涂。噴涂作業(yè)操作過程中，需按照噴涂距離為20~30cm，噴槍運(yùn)行速度為40~60cm/s，扇幅搭接1/4~1/3的作業(yè)要點(diǎn)運(yùn)槍，且噴槍移動時應(yīng)保持與工件表面垂直。

實(shí)現(xiàn)水性雙組分環(huán)氧底漆和水性雙組分聚氨酯面漆“濕碰濕”涂裝的關(guān)鍵是對水性環(huán)氧底漆干燥速度的控制和兩道涂層干濕程度的把握。同時“濕碰濕”涂裝過程中應(yīng)注意控制底漆及面漆厚度，在流平及閃干時間確定的前提下，底漆宜薄噴，面漆厚噴。如底漆過薄，漆膜機(jī)械性能和耐化學(xué)品、耐鹽霧性能變差，如底漆漆膜過厚，會造成底漆中水分揮發(fā)不完全，導(dǎo)致復(fù)合涂層在固化過程中出現(xiàn)針孔，氣泡和流掛等缺陷。在滿足涂層性能的基礎(chǔ)上，經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證確定底漆干膜厚度約為（45±5）μm，面漆濕膜厚度約為（55±5）μm較為適宜。

3.4閃干及流平

噴涂過程中水性涂料水分揮發(fā)量相比溶劑型涂料揮發(fā)量較少，為保證水性底漆水分能夠充分揮發(fā)，防止胺類底漆固化劑與“濕碰濕”異氰酸酯面漆固化劑發(fā)生反應(yīng)，以及避免后道工序噴涂面漆漆面流掛，因此充足的閃干時間非常重要，也利于胺類固化劑與環(huán)氧樹脂充分交聯(lián)反應(yīng)。由于現(xiàn)噴漆室僅有底漆、面漆兩個工位，因此底漆后閃干采用工位停留等待的方式，底漆噴涂后閃干10min以上達(dá)到表干無水漬狀態(tài)后再噴涂面漆。

面漆噴涂完成后工件隨線進(jìn)入流平室，為確保大量水分揮發(fā)并及時排出，防止出現(xiàn)橘皮、針孔等問題，形成外觀良好的漆膜，因此應(yīng)適當(dāng)延長流平時間至15~20min。

3.5烘干

結(jié)構(gòu)件隨線至烘干室烘干，利用熱風(fēng)對流循環(huán)方式對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加熱烘干，為防止烘烤溫度增長過快，導(dǎo)致漆膜形成氣泡、針孔等問題，應(yīng)分段階梯升溫。將烘干室溫度第一燃燒器溫度設(shè)置為（80±5）℃，第二燃燒器溫度設(shè)置為（90±5）℃，雙工位烘干各停留20min。

4“濕碰濕”水性涂料在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件上性能確認(rèn)

雙組分水性涂料成膜機(jī)理更加復(fù)雜，分水分蒸發(fā)、乳液顆粒靠近變形并趨填密、相互擴(kuò)散融合交聯(lián)反應(yīng)等階段。由于雙組分聚氨酯面漆所用固化劑異氰酸酯易與雙組分環(huán)氧底漆使用固化劑聚酰胺發(fā)生反應(yīng)，雖然可通過調(diào)整底漆中樹脂、固化劑等方式提高水性環(huán)氧底漆干性，但是無法完全避免兩者交叉反應(yīng)，同時雙組分聚氨酯面漆羥基和水與固化劑異氰酸酯競爭反應(yīng)，影響涂膜性能和外觀質(zhì)量。隨線制測試板對關(guān)鍵性能檢測如表1所示。

表1 隨線制測試板對關(guān)鍵性能檢測結(jié)果

5“濕碰濕”水性涂料在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件使用中存在的問題

通過“濕碰濕”水性涂料在挖掘機(jī)平臺、底架等工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件上實(shí)踐和驗(yàn)證，對比評價成膜光澤度略低，但是成膜更加光滑，豐滿度好，其他外觀質(zhì)量相當(dāng)且滿足工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件外觀質(zhì)量要求。水性涂料由于水的物理特性制約，尤其在無降濕和溫度調(diào)節(jié)的噴漆室施工，水性涂料“濕碰濕”存在以下問題：

（1）噴涂水性涂料對涂裝作業(yè)人員技能要求更高，尤其是兩道漆“濕碰濕”需嚴(yán)格控制噴涂順序和噴涂三要素，否則極易流掛，產(chǎn)生針孔、桔皮、氣泡等漆膜弊病。

（2）“濕碰濕”水性涂料取消底漆后打磨及表面缺陷修補(bǔ)，因此對工件表面質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，尤其是工件表面邊角部位殘留少許油污、銹蝕等會造成噴涂后出現(xiàn)縮孔、附著力不良等問題。

（3）水性涂料相比溶劑型涂料黏性更大，并含有大量可溶于水或親水物質(zhì)，水性涂料漆渣從水旋噴漆室循環(huán)水中分離難度更大，造成涂裝廢水COD含量較高，需增加或改造污水處理措施。在條件允許的情況下，建議采用干式漆霧捕集系統(tǒng)解決污水處理問題。

（4）當(dāng)冬季溫度較低情況下雙組分水性環(huán)氧底漆聚合交聯(lián)反應(yīng)將減弱或停止，加之雙組分聚氨酯面漆干燥造成底漆層封閉，底漆涂層不能長時間完全干燥成膜，局部漆膜強(qiáng)度不足，拉拔測試漆膜附著力較差，底漆層中間撕裂情況發(fā)生。因此“濕碰濕”水性涂料噴涂過程中一方面需嚴(yán)格控制漆膜厚度，另一方面需定期檢測烘干室爐溫溫度和工件表面溫度。