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  • 工程机械结构件粉末涂料及关键聚酯树脂的研究

  • 发布时间:2016/7/11 11:08:41 来源:互联网文字【 收藏浏览人数:3863
  • 内容摘要:本文从粉末涂料的性能、工程机械涂装技术的进展以及工程机械结构件对使用粉末涂料进行涂装的要求这3个方面进行论述,并对工程机械结构件粉末涂料用聚酯树脂的研发方向进行展望。


    当前,国内外工程机械的大部分产品仍然采用溶剂型涂料进行喷涂。采用溶剂型涂料喷涂工序繁琐而且会产生大量的有机挥发物(VOC)排放,对环境造成严重的污染。由于粉末涂料不含有机挥发物,可回收再利用,不会对环境造成污染,是一种生态环保涂料,同时由于喷涂效率高、涂膜性能优良等特点,粉末涂料逐渐成为发展最快的涂料品种之一。随着工程机械行业的快速发展,应用于工程机械的粉末涂料已成为粉末涂料的重要分支,并逐渐取代溶剂型涂料。

    本文从粉末涂料的性能、工程机械涂装技术的进展以及工程机械结构件对使用粉末涂料进行涂装的要求这3个方面进行论述,并对工程机械结构件粉末涂料用聚酯树脂的研发方向进行展望。

    1、粉末涂料性能与发展概述

    粉末涂装技术始于20世纪30年代后期,是通过喷粉设备把粉体喷涂到工件表面,而热固性粉末涂料最初出现于1962年,是由热固性树脂、固化剂、颜料、填料以及助剂组成的。经过几十年的发展,热固性粉末涂料已经形成了包括纯聚酯、纯环氧、混合型、丙烯酸、聚氨酯、氟树脂等多种类型。

    粉末涂料为无溶剂涂料,相比于溶剂型涂料具有如下优点:环保、经济、高效、性能优异,广泛应用于家用电器、金属家具、五金构件、汽车零部件、天花板、灯饰、户外广告等,粉末涂料优异的性能使得其逐渐替代有机溶剂型涂料,成为涂料行业中的重要发展方向,一直保持着较快的增长速度。

    目前粉末涂料朝着功能化、节能环保化方向快速发展。功能性粉末涂料是一类具有特殊用途的、有针对性解决某些特殊性问题或达到某些特殊性要求的粉末涂料,满足各种特殊技术要求。功能性粉末涂料不仅可以起到传统的保护和装饰作用,还赋予材料各种功能,在科技、国防、工农业等许多领域发挥着越来越重要的作用,它的发展是国家经济和军事科学水平的反映,对当代科学技术、国防、工农业的迅速发展起着重要作用。

    2、工程机械涂装技术进展

    中国工程机械行业历经60年的发展已经形成上千种规格的产品,据有关组织预测,十二五期间,工程机械的年均增幅将达到15%,到2015年工程机械产值将突破9000亿元。工程机械产品类型丰富,包括装载机、挖掘机、推土机、起重机、叉车等,广泛应用于矿山、建筑工地、港口、机场、仓库等场所,但由于使用环境比较恶劣,所以要求喷涂的涂料具有优良的机械与防腐性能。据统计,目前大部分工程机械产品仍然采用溶剂型涂料进行涂装。随着工程机械与涂料的发展,工程机械所使用的溶剂型涂料与涂装也不断变革。于少堂将工程机械涂料涂装的发展分为5个阶段:第一阶段以酚醛、醇酸、环氧酯等为底漆,以酚醛或醇酸调合漆、醇酸磁漆等为面漆,涂层厚度不控制或控制不严格;第二阶段以过氯乙烯、环氧酯、改性醇酸等为底漆,丙烯酸类、醇酸类等为面漆,涂层厚度控制在80~120μm;第三阶段以环氧类、聚氨酯类等为底漆,改性醇酸、聚氨酯等为面漆,涂层厚度控制在80~150μm;第四阶段发展为厚膜型环氧类、聚氨酯类、富锌类等底漆,个别部件采用电泳底漆;第五阶段是工程机械用涂料与涂装应用技术改进和提高的阶段,涂料要求采用环境友好型涂料(水性涂料、高固体分涂料、粉末涂料),不含重金属等。实际上,现阶段处于第四阶段与第五阶段之间,环氧底漆和聚氨酯面漆是工程机械涂料的主流,水性涂料、粉末涂料正在扩大应用范围。

    采用溶剂型涂料喷涂时会产生大量的VOC排放,对环境造成严重的污染,而且还会威胁施工者的身体健康。随着对工程机械涂装的重视,并受到国家环保法规的限制,目前大量的工程机械厂家开始向环保涂料涂装转型,同时考虑到2015年2月1日起对施工状态下VOC含量高于420g/L(含)的涂料开征消费税,对工程机械领域厂家产生了替代的压力。为降低VOC的排放,主要有以下四类环境友好型涂料:高固体分涂料、粉末涂料、水性涂料、紫外光涂料和电子束固化涂料。未来电泳涂料、粉末涂料在工程机械用涂料中的比例将会不断提高,而传统溶剂型涂料的比例则不断减小,粉末作为一种无溶剂涂料,VOC不到10g/L,远低于国家规定的标准,因而开发出适用于工程机械的粉末涂料用聚酯树脂对于替换该领域溶剂型涂料,从环保、经济等方面来说都变得十分迫切。

    3、工程机械结构件用粉末涂料性能要求

    王春英等通过比较粉末涂料与溶剂型涂料的差别提出了目前工程机械结构件粉末涂料亟待解决的问题,首先粉末涂料用聚酯树脂具有比溶剂型涂料树脂更大的相对分子质量,因此涂膜的机械性能、耐化学介质、耐腐蚀等性能比溶剂型涂料好,这也保证了工程机械设备的使用寿命更长;其次是喷涂工艺的差别,二者具有完全不同的涂装工艺及设备,溶剂型涂料采用低温烘干(60~80℃)或常温自干,但粉末涂料固化必须采用高温,一般在180℃左右,而且烘烤温度过高造成工件温度的不均匀性影响涂膜固化,工件尺寸大带来的降温慢也影响了生产效率;再次由于工程机械的大部分工件尺寸庞大,就需要配套庞大的喷粉室,影响粉末回收;最后是成本问题,虽然综合考虑采用粉末涂料的成本较溶剂型要低,但是由于粉末涂料的烘烤温度较高,使得在喷粉前需要电泳耐高温腻子,这也无形中增加了生产成本。根据对比结果,使用粉末涂料进行涂装后,相比溶剂型涂料,其防锈、防腐、机械性能、使用寿命等都具有优势,但是固化温度和粉末回收是需要改进的方向。

    根据工程机械零部件的特点,可将工程机械分为薄板件、结构件和小件。薄板件和小件,如驾驶室、机罩、爬梯、台架等,采用一般耐候性粉末涂料常规固化;但对于结构件,如挖掘机动臂、起重机吊臂等底材较厚的部件,需要考虑板材厚度及钢板的吸热性。由于工程机械结构件的板材较一般家电和汽车的厚,故而在进行烘干的时候需要的热量更多,才能保证粉末的熔融。工件较厚的结构件烘烤固化时存在加热时间长、升温慢、结构件内部温度不均匀的情况,常常存在表层温度偏低、内部温度低于表层的情况,这样易导致固化不完全、机械性能差、耐候、盐雾性能不达标的情况。另外,由于结构件较厚,在固化后冷却时也存在内部温度冷却不均一的现象,当外部温度冷却到室温时,内部温度可能仍然较高,涂层内部的小分子可能就会渗透到涂层表面形成一层“霜”,降低了涂层光泽,影响美观。因此用于工程机械结构件的粉末涂料,除了需要满足防腐、防锈、耐候等这些必备的功能外,还需要保证使用的粉末涂料具有较快的固化速度或者较低的固化温度以及具有抗起霜的特性。

    相比溶剂型涂料,粉末涂料具有更好的机械性能、耐化学介质、耐腐蚀性能等优点,但是烘烤温度过高带来的能源消耗、结构件固化后产生的性能缺陷、生产成本提高以及粉末的回收都是粉末涂料应该改进的方向。

    4、工程机械结构件粉末涂料用聚酯树脂研究

    工程机械领域粉末涂料涂装无疑给粉末涂料带来新的机遇,但是由于工程机械领域的特殊性,常规粉末涂料在该领域的应用出现了不少问题。目前大多数的聚酯树脂厂家还没有专门针对工程机械结构件产品特点开发的产品。国内外较大的聚酯树脂厂家包括DSM、湛新、安徽神剑等,虽然有公司推出了应用于工程机械的粉末涂料用聚酯树脂,但是该类型聚酯树脂具有通用性,对于特殊部件的产品,尤其针对结构件特点开发的产品还没有。根据工程机械结构件的产品特点,用于工程机械结构件的粉末涂料应该具有防腐、防锈、附着力好、耐候性优异、低温固化或者快速固化以及抗起霜等特性。为满足上述特点,需要开发具有以下特性的聚酯树脂。

    (1)机械性能

    工程机械绝大多数在野外作业,工况恶劣,面临着风吹日晒、粉尘污染及雨水冲刷等,涂装的主要功能是对产品进行防锈、防腐保护,延长使用寿命。由于工程机械产品常年需要与砂石、泥土等接触,良好的机械性能、附着力、硬度是必备的先决条件,虽然粉末涂料比溶剂型涂料的机械性能优异,但是由于粉末涂料多是高温烘烤,容易存在烘烤不足、固化不完全的情况,而聚酯树脂的开发也应该根据工程机械使用环境的特殊性进行机械性能、附着力、硬度等方面的改进。

    (2)抗起霜性能

    常规的工件经过粉末涂料喷涂并固化后在120℃的温度下烘烤一段时间,工件表面会产生一层“霜”类物质,或者在低温固化以及工件较厚的情况下烘烤时也有可能会产生这种物质,使得工件光泽度下降,从而影响美观。工程机械结构件比普通的工件厚,涂膜内外温差使得小分子析出形成“霜”。据MartinazzoF等的研究,该物质为二十二元环结构,是由2个分子对苯二甲酸与2分子的新戊二醇缩合而成。

    该低聚物的的晶体熔融温度为275~280℃,并且在低温下通常不挥发。LAhjopalo等论述了二十二元环物质的形成过程,通过研究单体组成来改善抗起霜性能。根据工程机械产品固化条件以及使用条件的特殊性,有针对性地使用抗起霜树脂是工程机械粉末涂料用聚酯树脂研发者应该考虑的另一个重要方面。

    (3)低温固化或者快速固化

    工程机械结构件厚度较大的特点,使得其在炉中升温不均匀且耗时,常规固化的产品在工程机械结构件上进行喷涂时,存在固化温度或者时间不足的情况,造成机械性能、耐候、盐雾等方面的缺陷。因此,用于工程机械结构件的粉末涂料应该具有较快的固化速度或者低温固化的特性,这样才能保证满足最终性能的要求,而这就对其相应的粉末涂料用聚酯树脂提出了更高的要求。

    (4)防腐性能

    工程机械的作业环境是户外,常年风吹日晒,有些甚至在湿热、沿海环境下作业,工况恶劣,因此防腐、防锈性能是工程机械产品的一个重要指标。而树脂作为粉末涂料的重要组成部分,其性能的好坏决定了产品最终的防腐性能。

    (5)耐候性

    由于是户外作业,工程机械产品受到大量紫外线的照射,这样涂层容易老化变色,影响产品的使用寿命。工程机械产品都涂覆着各种各样的颜色,相比白色涂层,深色涂层的耐候性更差,而这也是粉末涂料行业遇到的难题之一。因此开发出耐候性好且能保证深色涂层老化性能的聚酯树脂是行业的发展方向之一。

    5、结语

    工程机械近年来蓬勃发展,随着国家对涂料环保要求的提高,粉末涂料在工程机械领域的市场份额逐渐增加。粉末涂料具有比溶剂型涂料更好的机械性能、附着力、硬度、耐溶剂性、耐化学药品性等优点,但是高温烘烤带来的耗能过大以及容易产生性能缺陷是一个重要问题。工程机械领域作为粉末涂料新的应用领域,还缺乏配套的聚酯树脂,本文通过总结该领域的特点,推出了针对性的聚酯的研究要求。只有满足了机械性能、耐候、防腐、抗起霜等性能要求的产品才能够很好地应用于结构件,才能有助于粉末涂料在工程机械的推广。随着工程机械领域粉末涂料市场的扩大,应用于工程机械粉末涂料的聚酯树脂必将具有很大的市场空间。


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