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汽车传动轴用底面合一水性防腐涂料的制备2鱼嘴鞋

2022年09月09日

汽车传动轴用底面合一水性防腐涂料的制备

0 前言

汽车传动轴为圆管型碳钢素材，工件表面一般采用铁系磷化处理。因此涂膜耐腐蚀性相对难达标，同时，工件表面常常带有一定锈蚀点。由于工件重、厚度高，传热及散热相对较慢，涂料的耐腐蚀性、干燥性及下线的干爽性成为水性涂料能否使用的关键技术中国机械网okmao.com。

汽车传动轴涂装厂大多数采用圆盘性静电涂装工艺，一次性涂装膜厚可达50～60 μm，固化温度为80 ℃、30 min。

目前国内传动轴涂装主要以溶剂型聚氨酯体系及双组分环氧体系为主，产品施工活化期短、损耗高，存在严重易燃易爆危险，VOC排放高，严重影响喷涂工人的身体健康。因此，汽车传动轴涂装急需向环保化、低碳化方向发展。

本论文的创新点在于解决了圆盘式静电涂装一次性厚涂涂料抗流挂与流平的问题，解决了铁系磷化处理素材上水性单组分涂层耐腐蚀问题以及工件下线干燥性问题，有效解决企业安全生产的难题。

1 实验部分1.1 实验原料

水性环氧酯树脂：6019、水性醇酸树脂：UradilAZ3530 G3-75、水性丙烯酸改性醇酸树脂：AZ3531，帝斯曼；水性丙烯酸改性环氧酯：640，阳光汇德；水性自交联丙酸乳液：FR-71，陶氏化学；水性环氧树脂：6140，上海新华树脂厂。

催干剂：Octa-Soligen? 123 aqua、Octa-Soligen? 421aqua，广州松尾贸易；6206，广州慧宇化工贸易；5001-3、5016-5同德化工；CG01，阳光汇德。

防闪锈助剂：FA-179，广州晨辉贸易。

增稠触变剂：气相二氧化硅N20，瓦克；聚氨酯299，广州晨辉贸易；聚氨酯0620，广州松尾贸易；碱溶胀3800，广州联固化工贸易；凹凸棒土LEP，北京金汇利。

防锈颜料：SW111磷酸锌，上海鹏畔化工贸易；AD02、LD-4，上海盈水化工科技；磷酸锌、APW-2，山东鑫盛化工科技；ZPLEX11、ZP30，凯佰化工。

颜料与填料：炭黑、硫酸钡、硅微粉，佛山市欣美化工。

中和剂：DMEA，广州德谦化工科技。

分散剂：DEGO760W，佛山美汉化贸易。

消泡剂：DEGO-810，深圳庚申化工贸易。

润湿剂：DEGO-4100，深圳庚申化工贸易。

1.2 实验仪器和设备

篮式砂磨机：LSM-750L，上海全简机电有限公司；

高速分散机：YSDF-400，上海月盛电子科技有限公司；

高压混汽喷枪：SPQ-2，上海特兰森涂装机械有限公司；

烘箱：DRP-JJ-2，苏州德瑞普烘箱制造有限公司；

盐雾箱：SH系列，东莞市升鸿检测仪器有限公司；

膜厚测试仪：ELCOMETER456，昆山市顺诺仪器有限公司；

附着力测试仪：QFD型，昆山国晶电子有限公司；

干燥测试仪：GZY型干燥时间记录仪，上海洪富仪器仪表有限公司。

1.3 汽车传动轴用水性涂料的制备工艺1.3.1 水性色浆的制备

将水性丙烯酸改性醇酸树脂加入到搅拌桶中，搅拌下按顺序加入DMEA、催干剂，搅拌均匀，缓慢加入去离子水，搅拌均匀后加入分散剂、消泡剂，充分分散10 min后，按顺序投入防锈颜料、颜料、填料及凹凸棒土，中高速搅拌15 min后，转移至砂磨机研磨细度小于15 μm(注：避免色浆接触空气造成氧化结皮)。

1.3.2 水性自干涂料的制备

在搅拌槽中加入自交联丙烯酸乳液，然后在搅拌的条件下加入水性色浆，最后按照顺序加入润湿剂、防闪蚀剂、触变剂、去离子水，搅拌均匀，最后用DMEA调整pH值为8.0以上，静置20～30 min后，用300目筛网过滤包装。参考配方见表1所示。

2 结果与讨论2.1 主体树脂的选择对涂层性能的影响

传动轴为圆柱型碳钢素材，壁厚、传热及散热较慢，涂装前一般采取铁系磷化表面处理，工件表面常常带有一定点锈，涂层要求低温下快速固化、耐腐蚀性佳，同时涂料需满足圆盘式静电涂装要求。从下线干爽性角度考虑，自交联丙烯酸乳液最为合适，但其耐腐蚀性差；

双组分环氧及PU与现有涂料体系相近，但施工复杂、活化期短、市场接受程度低，且价格相对较高。因此，本文选择氧化干燥机理固化的水性醇酸体系或水性环氧酯体系，同时添加适量的自交联丙烯酸树脂，以增加涂膜干燥性，提升涂膜下线干爽性；本论文探讨了几款不同氧化干燥类型树脂，具体性能参数如表2所示。

由表2可见，没有经过丙烯酸改性的水性环氧酯6019和水性醇酸树脂AZ3530，其表干速度较慢，工件下线后表面发黏，涂膜最终硬度偏低；而经过丙烯酸改性的环氧酯640和醇酸AZ3531，其最终摆杆硬度高，涂膜表干时间短，下线干爽性好，耐腐蚀性佳；与环氧酯相比，醇酸树脂在圆盘式静电涂装过程中，其润湿性、流平性及静电雾化效果相对较好；

线型大分子量环氧树脂6140，其表干速度最快，但由于分子中缺少交联基团，涂膜最终硬度偏软，耐腐蚀性相对较差。同时，由于圆盘式静电涂装主要通过离心力雾化喷涂，树脂表干速度较快，雾化后在涂料在工件表面呈块状，无法流平，影响涂膜外观。

因此，本论文选择以AZ3531为主体成膜树脂，同时考虑到树脂的干燥性相对较慢，因此，通过相容性测试，选择了自交联型的丙烯酸乳液树脂FR-71为干燥促进树脂。通过干燥测试、中性盐雾测试分析，FR-71的添加，有效提升了干燥性，同时由于树脂自身交联密度较高，从而对涂层耐腐蚀性不存在负面影响。因此，本论文最终选择以AZ3531与FR-71搭配使用，复配比例27∶5。

2.2 催干剂的选择

氧化干燥包括氧气的吸收、氧气的扩散以及与氧气结合形成聚过氧化物，聚过氧化物在催干剂、光或热的作用下，过氧键均裂，形成烷氧基与共轭双键反应结合成醚键的过程。添加适量的催干剂，可以促进氧气的输送、增加涂膜吸氧能力以及催化共轭双键氧化交联的过程，提升氧化干燥的速度[2]。本项目针对几种不同类型的催干剂进行了探讨，数据分析见表3所示。

由表3可见，环烷酸类催化剂CG01其干性较差，综合性能可以，但里面含有部分溶剂，味道重，且不利于涂料长时间贮存；5003-1为复配型催干剂，其干燥性较差，初期耐水性及耐腐蚀性差；421为环保型的Co类催干剂，涂膜摆杆硬度差，耐中性盐雾一般；

5016-5、123、6206均为进口环保复配型催干剂，但其综合性能好，在此基础上，把123与6206进行复配使用，其效果更佳，涂膜耐腐蚀性好。因此，本项目选择由123+6206作为复合催干剂，复配比为m(123)∶m(6206)=1∶1，添加量为树脂固化量的6%。

2.3 防锈颜料及颜基比对涂层防腐蚀性能的影响为了提高涂层的耐腐蚀性能，必须添加适量的防锈颜料，以增加涂料对金属底材的钝化、防锈能力。

目前，常见的防锈颜料主要有磷酸锌、三聚磷酸铝、磷硅酸锌铝、改性磷酸锌、锌铬黄、红丹、钙离子交换颜料、氧化锌等。锌铬黄和红丹防锈能力优异，但由于重金属含量过高而不能使用。本项目通过耐中性盐雾测试探讨了不同种类防锈颜料对涂膜性能的影响，产品性能如图1所示。

由图1可见，三聚磷酸铝具有较好的前期耐腐蚀性，但是其强酸本质，不利于涂料贮存稳定性。纯的普通磷酸锌、ZPLEX11、ZP-30等只有在金属表面发生初期腐蚀而形成阳极和阴极，使溶解的亚铁盐和铁盐发生水解，水释放出质子与磷酸锌作用产生磷酸和锌离子，进而形成磷酸铁盐及难溶铬合物，是先腐蚀后防护类型，不利于前期耐腐蚀；

经过锶钼改性的磷酸锌SW-111对金属底漆具有较好的封闭性与钝化作用，耐腐蚀能力明显提升，但是产品价格相对较高，并不能普及应用于国内钢结构防护行业；AD02与LD-4为有机杂环化合物，通过研究发现，添加适量此类杂环化合物。

有利于在金属基材表面形成一层隔水膜，有效阻隔划线处水及氧气从此处向面板扩散，其能有效填补磷酸锌前期耐腐蚀性的不足，通过与磷酸锌的搭配使用，产品综合性价比高，满足民用钢结构防护市场推广的需求。

因此，本项目选择普通磷酸锌与LD-4组合使用，复配比为2∶1，添加量为配方总量的8.2%。为进一步确定颜料及防锈颜料的组成与用量，本项目以普通磷酸锌与有机杂环化合物为主要防锈颜料，以炭黑为体质颜料，以硫酸钡为填充料，探讨最佳颜料添加量，从而保证树脂能够完全包裹住颜料粒子，同时能够在金属底材上达到良好的封闭作用，表4探讨了几个不同颜基比对产品耐腐蚀性能的影响。

由表4可见，随着颜基比的增加，涂膜耐腐蚀性能有所增长，但达到一定量后，颜料份过高，树脂包裹性变差，耐腐蚀性下降。当颜料总质量与树脂固体量比值为1.6∶1时，由图2电镜分析所示，涂膜表面较为平整，颜料分布均匀，涂层耐腐蚀性能达到最佳水平，树脂能够把颜料粒子完全包裹住，同时，粒子紧密相连，从而阻隔了水分子及氧气的进入，达到良好的耐腐蚀性。过多或过少的颜料份都易形成孔细通道，不利于涂膜耐腐蚀性。

2.4 增稠触变剂的选择对圆盘式静电涂装表面效果的影响(见表5)

由于树脂中含有一定量的醇醚类溶剂，其存在会对体系的触变值存在较大的影响，同时，为适应圆盘式静电涂装的施工工艺以及涂膜外观，因此，对增稠触变剂的选择非常重要。由表6可以发现，气硅在添加量大于配方总量1%时有助于改善涂料的防沉性，但氢键作用力过强，涂料雾化效果不良，涂膜流平性差；

聚氨酯类增稠剂能单纯增黏，助溶剂对聚氨酯的存在会破坏缔合结构的形成，此类助剂较适合乳液型树脂的增稠；碱溶胀性增稠剂在体系pH值高于9.0时，有较为明显的触变性，但对体系增黏效果较差，且添加量超过1.5%时，耐腐蚀性明显下降；

凹凸棒土是一种触变性极强的助剂，通过氢键作用，有效锚固涂料粒子，达到很好的防流效果，但是添加量超过0.5%会影响耐水、耐腐蚀性，同时，过多的添加量会造成表面橘皮。综上所述，本项目选择由少量的凹凸棒土为防沉触变剂，从而保证涂料有良好的防沉性，同时配合聚氨酯增稠剂与碱溶胀型稠变剂来调整涂料的触变性，添加量占涂料配方总量的1.2%，m(0620)∶m(3800)为1∶4，凹凸棒土添加量占涂料配方总量的0.1%。

2.5 性能测试

汽车传动轴用底面合一水性防护体系涂膜主要性能如表6所示。

由表6可见，本项目制备的水性涂料产品其综合性能达到溶剂型聚氨酯涂料产品性能指标，VOC含量低，无毒环保，符合企业安全生产的需求。

3 结语

本文采用水性丙烯酸改性醇酸主体树脂，辅以自交联的丙烯酸乳液为干燥促进剂，结合无毒环保的防锈颜填料及功能助剂，制备一种可应用于传动轴涂装的水性防护涂料，该产品低温固化，适用于现有溶剂型涂料涂装线的施工条件，节能环保，满足企业安全生产的需求。

涂膜具有良好的理化性能、耐腐蚀性佳能，有效解决汽车传动轴圆盘式静电涂装模式，产品综合性能达到溶剂型聚氨酯涂料性能指标。该产品的开发有利于传统的汽车传动轴涂装行业向环保化方向发展。

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