摘要：介紹了一套防護性能優異的水性雙組分環氧底漆和水性雙組分聚氨酯面漆的復合涂料體系，探討了底漆環氧樹脂、胺類固化劑、底漆顏基比（P/B）、面漆羥丙樹脂、異氰酸酯固化劑以及環保助溶劑對“濕碰濕”涂裝配套性和復合涂膜外觀及性能的影響。結果表明：底漆甲組分選用表干時間和硬度較好的DB4253水性環氧樹脂配合A和C的復合胺類固化劑乙組分作為主體成膜物，顏基比為2.0，m（甲 組 分）∶m（乙 組 分）=7∶1，干 膜 厚 度 控 制 在（55±5）μm；水 性 羥 基 丙 烯 酸 樹 脂 為Antkote®2033，HDI 固化劑為DNW-5500/Aquolin®280（質量比2∶1）和復配助溶劑 DPnB/PGDA（質量比1∶1）組成的面漆體系，能夠滿足大型機械設備“濕碰濕”配套涂裝的工藝和性能要求。
“濕碰濕”涂裝是指在上道漆膜未完全干透的情況下就進行下道涂料的噴涂，然后進行一次烘烤完成工件的涂裝工藝，此工藝取消了底漆打磨工序，合并了底漆與面漆烘干工序，可以減少設備投入、場地面積，減少輔料與人員投入、能源消耗，從而降低生產成本。
在工程機械涂裝中較為常見且成熟的“濕碰濕”涂裝工藝為雙組分聚氨酯底漆與雙組分聚氨酯面漆的配合，聚氨酯底漆雖然具有較好的施工性，但價格較高，防腐蝕性能一般，相比較下，環氧底漆具有更優異的防腐性能且價格便宜，然而，由于異氰酸酯固化劑具有很高的反應活性，可以與胺、醇、水等發生親核反應，在“濕碰濕”涂裝過程，環氧底漆的胺類固化劑與聚氨酯面漆的異氰酸酯固化劑優先發生反應，加上國內工程機械實際施工環境復雜，在實際應用中常出現面漆咬底、失光和防護性能下降等問題，導致工程機械行業采用“濕碰濕”涂裝的防護性能得不到穩定的保證。因此，如何控制底漆的表干速度和合理的配方是成功使用環氧“濕碰濕”聚氨酯涂裝的關鍵。與此同時，水性環氧“濕碰濕”水性聚氨酯涂裝體系由于VOC的要求，不能通過溶劑的調整來控制底漆的表干速度，相比溶劑型環氧“濕碰濕”聚氨酯涂裝體系更難在工程機械進行“濕碰濕”涂裝應用。
本文介紹一套防護性能優異的水性雙組分環氧底漆配套水性雙組分聚氨酯面漆的防護涂料體系，涂料體系施工性能滿足“濕碰濕”的涂裝配套工藝要求，復合涂層的物化性能達到大型機械設備的技術要求。
1、 實驗部分
1.1 主要原料及儀器
水性環氧樹脂。3014：江蘇富琪森新材料有限公司；Wantipro®0903：萬華化學集團股份有限公司；2EE101W：同德化工有限公司；DB4253：湖北雙鍵精細化工有限公司。水性環氧固化劑A、B、C：自制。
水性羥基丙烯酸樹脂。PA-4845：廣州冠志新材料科技有限公司；AQUAPAC-8225：江蘇富琪森新材料有限公司；Antkote®2033：萬華化學集團股份有限公司；A2646：上海源禾化工有限公司。異氰酸酯固化劑。DesmodurN3390：上海源禾化工有限公司；Aquolin®268、Aquolin®280：萬華化學集團股份有限公司；DNW-5500：廣州佳孚誠貿易有限公司。
助溶劑。丙二醇甲醚（PM）、二丙二醇甲醚（DPM）、丙二醇丁醚（PnB）、二丙二醇丁醚（DPnB）、丙二醇二醋酸酯（PGDA）：廣州印田新材料有限公司。
有機膨潤土：SD2，廣州市辰輝貿易有限公司；磷酸鋅：ZMP，杭州海博顏料有限公司；APW-Ⅱ，廣西新晶科技有限公司；硫酸鋇：佛山市欣美化工有限公司；氧化鐵紅：廣州市宏特化工科技有限公司；云母粉：滁州格銳礦業有限責任公司；鈦白粉：R902，美國杜邦（中國）有限公司；增稠劑：OMG0630，廣州松尾貿易有限公司；消泡劑：Tego902w，廣州贊寶貿易有限公司；分散劑：Tego760w，廣州贊寶貿易有限公司；流平劑：Tego450，廣州贊寶貿易有限公司；潤濕劑：Tego4100、Tego280，廣州贊寶貿易有限公司；防閃蝕助劑：AX-2370，四川蓋特斯新材料科技有限公司；防霉殺菌劑：HF-1，廣州碧馳新材料股份有限公司；低溫潛伏型促進劑：DMP-30，南京百慕達生物科技有限公司；脫水劑：BF-5，佛山市森寶利化工有限公司。
擺桿硬度儀：BGD509/K+P，廣州標格達實驗室儀器用品有限公司；漆膜沖擊器：QCJ型，天津永利達材料試驗機有限公司；附著力測試儀：QFZ-Ⅱ型，天津市科聯材料試驗機廠；中性鹽霧箱：SH系列，東莞市升鴻檢測儀器限公司。
1.2 水性涂料的制備
1.2.1水性雙組分環氧底漆
按照表1配方，將去離子水和有機膨潤土加入攪拌槽中，轉速800~1000r/min條件下使有機膨潤土活化，然后調節轉速到500~800r/min，加入潤濕分散劑和部分消泡劑，分散均勻后，依次添加磷酸鋅、硫酸鋇、三聚磷酸鋁、氧化鐵紅和云母粉等顏料、填料，再添加防霉殺菌劑，最后添加剩余的消泡劑，攪拌均勻后移至砂磨機進行研磨，研磨速度控制在3000~4000r/min之間，研磨時間控制在0.5~1h，直至漿料的細度≤25μm，即可制得水性防銹底漆色漿。
表1 防銹底漆色漿的配方
在500~800r/min的攪拌速度下，按照表2配方依次加入水性環氧樹脂、助溶劑（DPM）、水性防銹底漆色漿、潤濕劑、流平劑、消泡劑、增稠劑、防閃蝕助劑和去離子水，混合攪拌均勻即為水性雙組分環氧底漆甲組分。
在500~800r/min的攪拌速度下，按照配方量加入水性環氧固化劑A、固化劑C，助溶劑和去離子水，混合攪拌均勻即為水性環氧防腐蝕底漆的乙組分。
在涂裝前，甲、乙組分按照質量比7∶1混合，并用適量的去離子水稀釋至施工黏度，即得水性雙組分環氧底漆。
表2 水性雙組分環氧底漆的配方
1.2.2水性雙組分聚氨酯面漆
按照表3配方，將去離子水和潤濕分散劑加入攪拌槽中，轉速500~800r/min條件下使潤濕分散劑均勻分散，然后添加鈦白粉，最后添加消泡劑，攪拌均勻后移至砂磨機研磨，研磨速度3000~4000r/min之間，研磨時間0.5~1h，直至漿料的細度≤10μm，即得水性面漆色漿。
按照配方將水性羥基丙烯酸分散體倒入調漆罐中，在轉速300~500r/min條件下添加潤濕劑、流平劑、助溶劑和去離子水，然后加入水性面漆色漿最后，用增稠劑調節黏度，分散均勻，用300目濾網過濾，即得水性雙組分聚氨酯面漆甲組分。
在100~300r/min的攪拌速度下，按照配方量將助溶劑和脫水劑混合均勻，然后加入異氰酸酯固化劑，混合攪拌均勻即為水性雙組分聚氨酯面漆乙組分。
在涂裝前，按照配漆質量比混合甲、乙組分，并用適量的去離子水稀釋至施工黏度，即得水性雙組分聚氨酯面漆。
表3 水性雙組分聚氨酯面漆的配方
1.3“濕碰濕”的配套工藝
目前大型機械設備“濕碰濕”涂裝配套工藝如下：工件底材—簡單除油脫脂—拋丸—吹塵—刮膩子—打磨—噴涂水性雙組分環氧底漆—流平、閃干15~20min—“濕碰濕”噴涂水性雙組分聚氨酯面漆—流平5~10min—復合涂層60℃烘烤30~40min。
1.4 性能測試
按照GB/T1728—2020的指觸法（乙法）測試漆膜干燥時間；按照GB/T9286—2021的劃格法測試漆膜附著力；按照GB/T1730—2007的科尼格（König）擺（A法）測試漆膜擺桿硬度；參照GB/T1732—2020，延長漆膜養護時間為15d后，測試耐沖擊性；按照GB/T1731—2020測試漆膜柔韌性；按照GB/T1733—1993的浸水試驗法（甲法）測試耐水性；按照GB/T1771—2007測試漆膜耐中性鹽霧性。
2、 結果與討論
2.1 水性環氧樹脂對底漆性能的影響
實驗選用4款水性環氧樹脂進行對比，研究結果如表4所示。
表4 水性環氧樹脂對漆膜性能的影響
從表4可知，0903表干時間最長，硬度最低；2EE101W表干最快，硬度最高；3014和4253的漆膜表干時間和硬度相當。耐水性測試中，4253制備的漆膜無任何變化，其他漆膜均有發白現象。養護7d后耐鹽霧性測試中3014和4253表現最優，達到960h。耐沖擊性測試除2EE101W外，其他均能通過50cm測試。綜合漆膜的表干時間、初期耐水性、硬度和耐鹽霧性，本實驗選擇DB4253作為底漆的主體樹脂。
2.2 胺類固化劑對環氧底漆性能的影響
在“濕碰濕”涂裝過程中，胺類固化劑與水性環氧樹脂的搭配非常重要。本實驗采用不同的水性胺類固化劑進行測試，結果見表5。
表5 胺類固化劑對漆膜性能的影響
由表5結果可知，固化劑A為大分子鏈芳香胺類固化劑，其與甲組分的環氧樹脂反應速度慢，但由于其分子鏈較大以及苯環結構，在“濕碰濕”的配套過程基本上不會發生咬底，固化后漆膜硬度也較高，但柔韌性稍差。固化劑B為水性小分子鏈脂肪胺類固化劑，其碳鏈結構較短，小分子結構特性使其能夠與甲組分的環氧樹脂快速固化反應，同理，在“濕碰濕”配套過程中，也更容易與面漆固化劑異氰酸酯發生反應，所以，出現面漆咬底失光，復合涂層耐鹽霧性低等問題。固化劑C為水性大分子鏈脂肪胺固化劑，較長的碳鏈結構使得漆膜具有良好的柔韌性，漆膜硬度低，甲、乙組分混合后的反應速度較慢，所以在“濕碰濕”的涂裝過程中不容易出現面漆咬底、失光問題。因此，本實驗考慮在甲、乙組分混合時，將固化劑A和固化劑C按質量配比3∶2進行復配，結果顯示，復配固化劑能夠確保最終漆膜在機械性能和耐腐蝕性能方面表現最佳，同時兼顧到2種固化劑的特點，底漆和面漆的“濕碰濕”涂裝效果最佳。
2.3 胺類固化劑與環氧樹脂的質量比對漆膜性能的影響
理論上1個活化氫是與1個環氧基發生反應，但是，水性環氧樹脂為多相體系，固化成膜過程包括水分蒸發，乳液粒子聚集、變形以及與固化劑相互作用形成三維空間網狀結構。以固化劑為中心，逐漸向環氧樹脂微粒內部擴散，固化劑分子首先與環氧樹脂分散相粒子的表面接觸并發生交聯固化反應，隨著固化反應的進行，粒子表面的環氧樹脂相對分子質量和玻璃化轉變溫度均逐漸提高，使得固化劑分子向粒子內部的擴散速度逐漸變慢。本實驗考察胺類固化劑乙組分與環氧樹脂甲組分不同質量比對漆膜性能的影響，結果見表6。
表6 胺類固化劑與環氧樹脂配比對漆膜性能的影響
在“濕碰濕”配套過程中，底漆甲、乙組分質量比對漆膜性能影響更為復雜，一方面，胺類固化劑中含有親水表面活性鏈段，提高環氧樹脂和胺類固化劑的配比，漆膜表干速度慢，在“濕碰濕”配套時容易受到面漆助溶劑和固化劑的影響出現咬底失光問題，影響施工進度；另一方面，降低環氧樹脂和胺類固化劑的配比，可以提高底漆干燥速度，但是，過量的固化劑無法快速向環氧樹脂微粒內部擴散參與交聯反應而殘留在漆膜中，會與面漆中的異氰酸酯固化劑發生交聯反應，同樣會導致水性聚氨酯面漆發生咬底，出現痱子問題，甚至由于底漆固化劑和面漆固化劑的同時消耗，導致漆膜附著力下降，開裂等。
從表6結果可以看出，底漆中甲、乙組分的質量比對漆膜的干燥時間、機械強度、耐腐蝕性影響明顯，同時，對面漆的“濕碰濕”配套性也有很大影響。綜合考慮，本實驗選擇甲、乙組分的質量比為7∶1，此時底漆和面漆“濕碰濕”配套性最好，復合涂層的綜合性能最佳。
2.4 環氧底漆顏基比對漆膜性能的影響
顏基比（P/B）是指涂料中顏料與成膜物不揮發物的質量比，是表征涂料配方設計的重要參數之一。水性環氧底漆中顏基比對配套水性聚氨酯面漆及復合涂層性能的影響如表7所示。
從表7可以看出，顏基比為1.6~2.0時，隨著顏基比的增加，底漆的表干速度逐漸提升，“濕碰濕”配套的咬底現象減弱，面漆光澤逐漸提高，復合涂層的耐腐蝕性也逐漸增強，這是因為顏、填料均勻分散在固化后的成膜物中，顏、填料粒子由于具有較大的比表面積，可以與底漆成膜物充分吸附、鍵合，增強了填料粒子與成膜物的界面黏合，有利于填料粒子與成膜物之間的應力傳遞，底漆成膜物充分包覆潤濕顏、填料表面，填充顏、填料之間的間隙，在金屬基材表面容易形成一層連續的致密的涂層，提高與面漆”濕碰濕”配套性。顏基比為2.0~2.4時，底漆的表干速度進一步提升，底漆表干“濕碰濕”配套面漆的咬底現象減弱，但是，面漆的光澤和復合涂層的耐腐蝕性反而會逐漸下降，表明顏基比進一步提高時，底漆成膜物不能完全包覆住顏、填料粒子，難以形成連續相的漆膜，導致漆膜致密性下降，從而影響漆膜的防腐蝕性能，同時，雖然底漆和面漆“濕碰濕”具有良好的配套性，但是由于底漆顏基比太高，面漆成膜物部分填充到底漆漆膜中，導致面漆漆膜光澤降低。綜上，當涂層中的顏基比為2.0左右時，底漆和面漆的“濕碰濕”配套性最佳，復合涂層具有最好的耐腐蝕性。
表7 底漆P/B改變對涂層性能和濕碰濕配套性的影響
2.5 底漆干膜厚度對“濕碰濕”工藝的影響
底漆干膜膜厚對底漆的表干速度，以及與聚氨酯面漆“濕碰濕”配套的復合涂層外觀和涂層性能的影響，如表8所示。
表8 底漆漆膜厚度改變對涂層性能的影響
由表8可知，底漆的干膜厚度為30μm時，由于漆膜薄，表干速度快，與面漆“濕碰濕”配套性好，但由于膜厚過薄，導致底漆與面漆配套后的復合涂層耐鹽霧性能不好。隨著底漆膜厚的提高，復合涂層的耐鹽霧性逐步提升，但漆膜的表干速度隨之下降，與面漆的“濕碰濕”配套性也受到影響，當底漆的干膜厚度達到60μm以上，漆膜表干速度超過20min，“濕碰濕”配套的面漆光澤有下降趨勢，底漆干膜厚度達到70μm時，“濕碰濕”配套的面漆已經開始出現咬底現象，因此，綜合復合涂層的耐腐蝕性和“濕碰濕”的配套性考慮，底漆的最佳涂裝干膜厚度為（55±5）μm。
2.6 面漆樹脂對“濕碰濕”涂裝的影響
大型機械設備要求面漆必須具備施工方便、干燥快、裝飾性佳、耐候性和耐化學性優良等特點來應對惡劣環境的侵蝕。本實驗選用4種樹脂進行考察，結果如表9所示。
表9 水性羥丙樹脂的性能及其對漆膜性能的影響
由表9結果可知，60℃×30min烘干后1h的耐水性測試，4款樹脂均無明顯變化。對比面漆的耐候性和復合涂層耐鹽霧性，PA-4845由于其羥基含量較低，漆膜交聯度不足，導致漆膜耐候性和復合涂層耐鹽霧性不佳，AQUAPAC-8225羥值略高，所制備的漆膜耐候性和復合涂層耐鹽霧性能有所提升。Antkote®2033和A2646羥基含量都超過3.0%以上，制備的漆膜耐候性和耐中性鹽霧性表現俱佳。理論上，樹脂羥基含量越高，與異氰酸酯固化劑發生反應的交聯程度越高，配制的雙組分聚氨酯面漆防護性能越好，硬度越高，同時，羥值越高需要配套的固化劑用量越多，漆膜的表干時間越長，在“濕碰濕”配套過程中，更容易出現咬底、失光、起泡問題。綜合復合涂層外觀和防護性能，本實驗選用Antkote®2033作為“濕碰濕”配套工藝的面漆樹脂。
2.7 異氰酸酯固化劑對水性聚氨酯面漆性能的影響
實驗考察了4款不同改性HDI固化劑對面漆性能的影響，結果如表10所示。
表10 不同面漆固化劑對漆膜性能的影響
由表10可知，N3390為疏水型脂肪族HDI，存在有穩定的異氰脲酸酯環，其混合分散后會被緊緊包裹在聚氨酯多元醇粒子中，與水隔離性好，但其發生交聯反應速率較快，活化期較短，在“濕碰濕”涂裝過程中，最容易與底漆胺類固化劑發生反應，從而出現咬底問題。Aquolin®268為磺酸改性親水性HDI，分子鏈含有大量醚鍵，與水作用較弱，耐水性較好，但水分散性較差，在“濕碰濕”涂裝過程中，亦容易與胺類固化劑優先反應，從而出現咬底問題，同時，Aquolin®268磺酸改性固化劑的耐黃變性相比其他款固化劑差，耐候性測試變色2級。Aquolin®280為有機硅改性HDI固化劑，耐水性較好，同時，固化劑中的Si—C基團能夠與面漆中的其他極性基團相互作用形成氫鍵而形成阻礙，能明顯減弱“濕碰濕”涂裝過程中面漆固化劑對底漆的影響。DNW-5500在水中有較好的分散性，與主劑相混起泡少，存在穩定的異氰脲酸酯環，其混合分散后會被緊緊包裹在聚氨酯多元醇粒子中，與水隔離性好，因為其具有核殼結構的特性，其固化反應速率緩慢，活化期長，“濕碰濕”涂裝過程中幾乎沒有與胺類固化劑發生反應，然而，由于固化反應速率緩慢，復合涂層烘干后1h耐水性滿足不了大型機械設備涂裝烘烤后戶外淋雨的技術要求，因而，考慮將DNW-5500和Aquolin®280搭配使用，借助Aquolin®280優異的初期耐水性來彌補DNW-5500固化劑的不足，由表10結果可知，DNW-5500和Aquolin®280搭配使用，質量比為2∶1，底漆和面漆“濕碰濕”配套性好，漆膜光澤高，初期耐水性和耐候性能優異。
2.8 面漆助溶劑對“濕碰濕”工藝的影響
助溶劑能調節漆膜干燥速度，避免漆膜在固化過程出現爆泡、痱子等弊病，提高實干。在“濕碰濕”涂裝過程中，底漆處于表干而非實干狀態，面漆助溶劑的溶解力太強會導致底漆漆膜受助溶劑侵蝕而引發咬底問題，本實驗選擇了4款環保助溶劑進行測試，結果如表11所示。
表11 環保助溶劑的選擇
從表11可以看出，單獨選用PnB，漆膜干燥速度較快，硬度好，表干10min后直接60℃烘烤30min，復合涂層出現痱子問題。同時，PnB對底漆有咬底現象，面漆本身的貯存穩定性也不佳。而選用相對慢干的助溶劑DPnB、DPM和PGDA，面漆體系貯存穩定，DPM和PGDA能明顯改善“濕碰濕”涂裝過程中復合涂層的痱子問題，添加DPnB的復合涂層漆膜基本沒有起痱子。DPnB和DPM均有不同程度的咬底問題而PGDA沒有咬底問題。所以，本實驗選用m（DPnB）∶m（PGDA）=1∶1和m（DPM）∶m（PGDA）=1∶1的復配助溶劑體系，實驗結果表明，選用DPM/PGDA復配助溶劑體系的“濕碰濕”配套后的復合涂層仍存在輕微咬底，效果不如DPnB/PGDA復合涂層，因此，本實驗確定選用DPnB/PGDA作為復配助溶劑體系，添加量為配方總量的5%。
3、 結語
本實驗結合大型機械設備“濕碰濕”涂裝工藝的特點，通過對主體樹脂及其配套固化劑進行篩選和復配，調整配方顏基比、施工膜厚和水性功能助劑，
結果表明：
（1）底漆甲組分選用水性環氧乳液樹脂DB4253，乙組分選用Tg高的水性大分子鏈芳香胺類固化劑A和柔韌性佳的大分子鏈水性脂肪胺類固化劑B復配，復配質量比為3∶2，甲、乙組分按照質量比7∶1，得到的漆膜在機械性能和耐腐蝕性能方面表現最佳。
（2）底漆顏基比設計在2.0左右，涂裝的干膜厚度為（55±5）μm，與面漆“濕碰濕”配套性最好，復合涂膜的綜合性能最佳。
（3）面漆甲組分選用羥基含量為3.3%的水性羥基樹脂Antkote®2033，乙組分選殼結構的水可分散HDI固化劑DNW搭配有機硅改性HDI固化劑Aquolin®280使用，質量比為2∶1，與底漆“濕碰濕”配套性好，復合涂層光澤高，耐中性鹽霧性、初期耐水性和耐候性優異。
