在環(huán)氧富鋅底漆+丙烯酸聚氨酯面漆體系的應(yīng)用中 以粉末涂料替代溶劑型涂料

0 前言

隨著社會的進步和人們環(huán)保意識的提高，溶劑型涂料的危害性逐漸深入人心。為保護人類賴以生存的環(huán)境，許多國家對溶劑型涂料的限制越來越嚴(yán)格。粉末靜電噴涂涂料以空氣為分散介質(zhì)，不含溶劑，固含量100%，屬于環(huán)境友好型涂料，其生產(chǎn)、施工、貯存和運輸都比傳統(tǒng)溶劑型涂料方便、經(jīng)濟和安全，可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，且涂層具有優(yōu)良的防腐性能和裝飾功能。科技工作者對粉末靜電噴涂技術(shù)的研究較多，有關(guān)粉末涂料充當(dāng)膩子，控制涂層缺陷的辦法，粉末噴涂參數(shù)等方面均有報道。研究表明，粉末靜電噴涂涂層的厚度對其耐腐蝕性能與外觀有直接影響，但是結(jié)合生產(chǎn)實際，在以磷化作為前處理的情況下，有關(guān)靜電噴涂涂層的厚度與其耐腐蝕性能及外觀質(zhì)量的關(guān)系的報道并不多見。本文選取環(huán)氧和丙烯酸聚氨酯靜電噴涂粉末與同類型的溶劑型涂料──環(huán)氧樹脂底漆+丙烯酸聚氨酯面漆，在經(jīng)過磷化處理的碳鋼上分別進行粉末靜電噴涂與溶劑型涂料涂裝，對兩種涂層體系的性能進行了比較，為靜電噴涂涂層體系替代溶劑型涂層體系提供參考。

1 實驗部分
1.1 材料
環(huán)氧富鋅粉末：無結(jié)塊，呈均勻的紅色，粒度15μm，密度1.5g/cm3，可室溫貯存1年，固化溫度(180±5)°C，固化時間10~20min。

丙烯酸聚氨酯粉末：無結(jié)塊，呈均勻的灰色，粒度15μm，密度1.4g/cm3，可室溫貯存1年，固化溫度180~200°C，干燥時間20~30min。

環(huán)氧樹脂底漆：紅色，細(xì)度15μm，密度1.6g/cm3，黏度19~21s(涂−4杯，后同)，最高使用溫度180°C；23°C下表干時間≤30min，實干24h，完全固化需7d，可室溫貯存18個月。

丙烯酸聚氨酯面漆：灰色，細(xì)度15μm，密度1.2g/cm3，黏度19~21s，最高使用溫度140°C，23°C下表干≤2h，實干24h，完全固化需7d，可室溫貯存18個月。

1.2 試片的制備
基材為100mm×70mm×1mm的碳鋼，依次經(jīng)除油、酸洗和中溫磷化的前處理，磷化膜厚約5μm。

1.2.1 粉末涂料體系
噴涂底漆和面漆的操作參數(shù)均為：電流15~20μA，噴涂速率約2.5m/min，噴槍與工件距離300mm，壓力約350kPa。固化溫度控制在180~200°C為宜，嚴(yán)禁超過220°C或低于140°C；固化時間控制在10~20min之內(nèi)，嚴(yán)禁超過25min或不足5min。

1.2.2 溶劑型涂料體系
噴涂底漆和面漆的操作參數(shù)均為：壓力0.3~0.4MPa，2道，90°C干燥40min。

1.3 試驗方案
不同的腐蝕環(huán)境對涂層的要求不同：采用溶劑型涂料時，在一般腐蝕環(huán)境(非化工、濕熱地區(qū))中要求底漆厚度不低于40μm，面漆厚度不低于30μm，總厚度不低于70μm。在重腐蝕環(huán)境(化工、濕熱、高氯)中，底漆厚度應(yīng)不低于70μm，面漆厚度不低于40μm，總厚度不低于110μm。采用粉末靜電噴涂時，在一般腐蝕環(huán)境中可以單獨采用粉末面漆，而在重腐蝕環(huán)境中需要采用底面復(fù)合涂層體系。另外，零部件表面在磷化前處理過程中得到粗化，因此要求涂層具有一定的厚度才能完整覆蓋磷化層。由于粉末靜電噴涂的特性，涂層過薄或過厚均會對其性能產(chǎn)生不利影響：過薄的涂層遮蓋率低，不僅影響其外觀質(zhì)量，使色差增大，光澤降低，產(chǎn)生露底等缺陷，而且嚴(yán)重影響到它的耐蝕性和耐水性；涂層過厚則表面易產(chǎn)生橘紋、針孔、縮孔等缺陷，不僅降低涂層的附著力，而且會增加涂料用量，相應(yīng)地增加了生產(chǎn)成本。

本文制備了如表1所列的14種膜厚的試片(部分按鹽霧試驗要求劃上交叉線)來考察涂層的性能，其中1−8為靜電噴涂粉末面漆，9−12為靜電噴涂粉末底漆+粉末面漆，13為一般溶劑型防腐涂裝，14為溶劑型重防腐涂裝。


2 結(jié)果與討論
2.1 涂層外觀
本次試驗中，當(dāng)粉末靜電涂層的總厚度小于40μm時，其對磷化層的遮蔽不完全，部分露出灰色磷化層，顯然這是生產(chǎn)上所不希望的；當(dāng)涂層總厚度大于40μm后就未發(fā)現(xiàn)磷化層有外漏。但是當(dāng)總厚度為120~160μm時，涂層的色差較大，光澤較低；增大到160~180μm后，涂層表面平整，沒有出現(xiàn)流掛、橘紋等缺陷。據(jù)此，能完全遮蔽磷化層的粉末涂層的總厚度應(yīng)大于40μm，要獲得平整且光澤高的涂層，總厚度則應(yīng)大于160μm。

2.2 耐蝕性
2.2.1 未劃線試片的腐蝕情況
由表1可見，溶劑型涂層試片均未發(fā)生起泡。當(dāng)粉末涂層面漆的厚度小于60μm時，在剛開始考察(302h)時，試片已經(jīng)有明顯的起泡，且擴展非�？欤�當(dāng)試驗進行到758h時就非常嚴(yán)重。當(dāng)粉末涂層面漆的厚度達到60μm以上時，起泡明顯減少，且直到試驗結(jié)束都比較輕微；而粉末涂層面漆的厚度大于80μm或者噴涂了底涂的試片均沒有起泡。在鹽霧試驗過程中，涂層一旦短時間內(nèi)起泡，對它的破壞是非常嚴(yán)重的，表明涂層與基體的結(jié)合力不好。綜合來看，粉末涂層面漆的厚度應(yīng)達到80μm。

2.2.2 劃線試片的腐蝕蔓延程度
從表2可知，經(jīng)過24h的鹽霧試驗，除粉末底漆+粉末面漆涂層的試片沒有出銹，其余試片的劃線部位均出現(xiàn)紅銹。尤其是粉末涂層面漆厚度大于80μm的試片，雖然起泡并不嚴(yán)重，但是沒有粉末底漆涂層作為保護，其耐蝕性仍然有限。這是由于本試驗用的粉末底涂為富鋅涂料，含有一定量的電位比鐵低的鋅粉，這些鋅粉與基材之間發(fā)生電接觸，起到陰極保護作用，使金屬基體免受腐蝕。
另外，僅有粉末面漆時，其劃線處的腐蝕寬度近似隨著其膜厚增加而增大�？紤]到起泡行為，單純使用粉末面漆的話，其厚度控制在120~140μm為宜。采用粉末底漆+粉末面漆體系時，規(guī)律性不是很明顯，但劃線處的腐蝕寬度均明顯減小，維持在1.3mm左右，表明其耐腐蝕性能明顯增強。生產(chǎn)中如果對涂層厚度要求較大且對性能要求比較嚴(yán)格時，可以考慮使用粉末底漆+粉末面漆體系。

溶劑型涂層劃線位置的腐蝕程度也比較弱，腐蝕寬度與粉末底層+粉末面層體系相當(dāng)，但出紅銹時間明顯更早。

2.3 成本核算
本文不計設(shè)備投資，只關(guān)注工藝過程與涂裝的總成本。

2.3.1 工藝過程
采用粉末靜電噴涂與溶劑型涂裝的工藝過程相同，都是：除油→酸洗→磷化→噴涂底漆→烘干→噴涂面漆→烘干→冷卻�？梢姺勰╈o電噴涂并沒有新增加工藝步驟，只是換了涂料的品種而已，如需采用粉末靜電噴涂，在原始的溶劑型涂裝線上僅僅改造個別工序即可，不會打亂涂裝生產(chǎn)的工藝步驟，由此而增加的生產(chǎn)成本并不大。

2.3.2 噴涂成本
表3列出了在涂層厚度滿足技術(shù)要求的基礎(chǔ)上按理論計算的每平米施工費用。
要達到相同的防腐效果，溶劑型涂料與粉末靜電噴涂的道數(shù)及成本如表4所示�？梢姴捎梅勰╈o電噴涂的生產(chǎn)成本明顯少于溶劑型涂料噴涂。


3 結(jié)語
對比粉末靜電噴涂涂層與目前工程上常用的溶劑型涂層后發(fā)現(xiàn)：

(1)單獨使用粉末面漆時，其膜厚控制在120~140μm就可以代替溶劑型底漆+面漆體系應(yīng)用于一般腐蝕環(huán)境中。

(2)使用粉末底漆+面漆復(fù)合涂層時，底漆膜厚控制在40~60μm，體系總厚度控制在100~180μm，便可以替代溶劑型底漆+面漆體系而應(yīng)用在重防腐環(huán)境中。若要獲得較好的涂層外觀，復(fù)合涂層總厚度則應(yīng)大于160μm。

需要指出的是，本文僅僅從工程應(yīng)用中的腐蝕問題出發(fā)，為涂裝生產(chǎn)提供一種思路，后期具體的應(yīng)用問題還需要深入研究。