無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械上的應(yīng)用可行性探討

王春英,于 萍,張 瑞*,陳吉祥,楊建明

(1. 山東源根石油化工有限公司,山東濟(jì)寧 272000;2. 山推工程機(jī)械股份有限公司,山東濟(jì)寧 272000）

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高和國(guó)家對(duì)大氣污染治理的加強(qiáng)，源頭替代成為涂裝行業(yè)VOC 治理的首要選擇[1]。工程機(jī)械行業(yè)也將源頭替代作為涂裝VOC減排的主要途徑[2]，進(jìn)行涂裝工藝設(shè)備改造、更新，加大了高固含涂料、粉末涂料、水性涂料等低VOC 涂料的推廣應(yīng)用[3-5]。但是，高固含涂料、粉末涂料、水性涂料也都有其缺點(diǎn)。高固含涂料仍然是溶劑型涂料，使用過(guò)程仍產(chǎn)生較大量的VOC，粉末涂料因?yàn)楣袒芎膯?wèn)題在應(yīng)用范圍上存在一定局限性，水性涂料由于其工藝條件要求嚴(yán)格，不滿足條件的生產(chǎn)線不能推廣應(yīng)用。

無(wú)溶劑涂料是一種環(huán)保型涂料，VOC 含量一般低于10%，常見(jiàn)的有環(huán)氧涂料、丙烯酸聚氨酯涂料、聚氨酯涂料、聚脲涂料等[6]，在地坪、工程管道、儲(chǔ)罐等行業(yè)得到了較好的應(yīng)用[7-9]，但在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用幾乎為零。近年來(lái)，無(wú)溶劑涂料的應(yīng)用研究逐漸增多，荊夕慶等[10]通過(guò)對(duì)高固含涂料、水性涂料、無(wú)溶劑涂料的生命周期進(jìn)行分析，認(rèn)為無(wú)溶劑涂料優(yōu)于高固含涂料和水性涂料；涂料科研院所和涂料企業(yè)也加大了對(duì)無(wú)溶劑涂料的研發(fā)[11-12]；工程機(jī)械企業(yè)技術(shù)人員也開(kāi)始關(guān)注無(wú)溶劑涂料，齊祥安[13]對(duì)普通溶劑型涂料、高固含涂料、水性涂料、粉末涂料、UV固化涂料、天冬聚脲涂料的VOC 含量、涂層質(zhì)量、性能和成本、能量消耗、投資費(fèi)用等方面進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，認(rèn)為天冬聚脲涂料是工程機(jī)械涂料的最佳選擇，并對(duì)天冬聚脲涂料進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。無(wú)溶劑涂料和水性涂料、粉末涂料等一樣，在工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)用有一定的優(yōu)勢(shì)，但也存在需要改善的地方和需要解決的問(wèn)題。本文將結(jié)合無(wú)溶劑涂料的現(xiàn)狀及工程機(jī)械涂裝的特點(diǎn)進(jìn)行分析和討論，以期促進(jìn)無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械行業(yè)的推廣應(yīng)用。

1 工程機(jī)械對(duì)涂料的要求

工程機(jī)械作為一類專用機(jī)械設(shè)備，功能、工況等有著自身的特點(diǎn)，因此涂裝用涂料、涂裝工藝設(shè)備等也有別于其他機(jī)械設(shè)備。

工程機(jī)械涂裝的功能主要有防銹保護(hù)和裝飾功能。工程機(jī)械設(shè)備基本都是室外作業(yè)，工況多樣，而且，很多工程機(jī)械設(shè)備會(huì)跨區(qū)域作業(yè)，在一年之內(nèi)可能經(jīng)歷多種不同的環(huán)境。因此，工程機(jī)械涂裝要考慮不同環(huán)境下的防銹性能，還要考慮不同環(huán)境下的耐候性，使工程機(jī)械在壽命期內(nèi)的褪色、失光維持在一定的范圍，保持良好的外觀。工程機(jī)械零部件在整機(jī)上位置的不同，使得涂裝涂層功能的重點(diǎn)、性能指標(biāo)要求也不同。企業(yè)一般會(huì)根據(jù)零部件所在位置，將涂裝質(zhì)量要求分為不同的等級(jí)。駕駛室、機(jī)罩等重要外觀覆蓋件對(duì)涂層光澤、耐候性等要求高。涂層的性能和施工質(zhì)量有關(guān)，但涂料本身的性能是基礎(chǔ)。HG/T 4339—2012《工程機(jī)械涂料》規(guī)定了工程機(jī)械溶劑型防銹底漆和通用底漆的技術(shù)指標(biāo)，以及聚氨酯面漆和其他面漆及涂層體系的技術(shù)指標(biāo)。雖然HG/T 4339—2012 對(duì)面漆光澤沒(méi)有明確要求，但隨著工程機(jī)械的發(fā)展，整機(jī)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品主要外觀件的面漆光澤都要求85 甚至90 以上。在涂層耐鹽霧性和耐老化性要求上，主要工程機(jī)械企業(yè)的產(chǎn)品涂裝除了工作裝置、底盤等部件，機(jī)架、駕駛室、覆蓋件等要求都提高到了1 000 h 以上，有的企業(yè)甚至提高到了1 500 h（耐鹽霧測(cè)試結(jié)果要求不起泡、不生銹、不開(kāi)裂、不剝落，耐老化測(cè)試結(jié)果要求不起泡、不生銹、不開(kāi)裂、不剝落、不粉化、變色≤2 級(jí)、失光≤2 級(jí)）。工程機(jī)械對(duì)涂裝的裝飾性要求在各類機(jī)械設(shè)備中是要求較高的。

對(duì)于工程機(jī)械溶劑型涂料中VOC 的含量，已經(jīng)執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 30981—2020《工業(yè)防護(hù)涂料中有害物質(zhì)限量》或GB/T 38597—2020《低揮發(fā)性有機(jī)化合物含量涂料產(chǎn)品技術(shù)要求》。

工程機(jī)械用涂料除了需要滿足工程機(jī)械產(chǎn)品涂層的防護(hù)、裝飾性能，還需要適應(yīng)工程機(jī)械涂裝施工的工藝條件，如施工環(huán)境溫濕度、干燥溫度及產(chǎn)能、節(jié)拍等。

2 無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用分析

無(wú)溶劑涂料在交通設(shè)施、電力、石油化工、水務(wù)工程等領(lǐng)域都有成功應(yīng)用，并且涂料和施工工藝也已有國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如HG/T 5177—2017《無(wú)溶劑防腐涂料》、GB/T 31361—2015《無(wú)溶劑環(huán)氧液體涂料的防腐蝕涂裝》。但是在工程機(jī)械行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用還需要探討和研究。

2.1 無(wú)溶劑涂料的環(huán)保優(yōu)勢(shì)

無(wú)溶劑涂料固含量高于90%，GB/T 31361—2015規(guī)定無(wú)溶劑涂料2 個(gè)組分混合后的固含量≥95%，HG/T 5177—2017 要求無(wú)溶劑涂料固含量≥98%，有的無(wú)溶劑涂料產(chǎn)品的固含量甚至達(dá)到100%[14]。因此，從環(huán)保角度而言，無(wú)溶劑涂料是工程機(jī)械涂裝中一個(gè)很好的選擇。

當(dāng)然，工程機(jī)械選擇涂料不僅僅是看環(huán)保性，還要考慮防腐蝕性、裝飾性、工藝性等。HG/T 5177—2017 規(guī)定了環(huán)氧類和聚氨酯類無(wú)溶劑涂料的技術(shù)指標(biāo)。

2.2 涂層性能的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

HG/T 5177—2017 中的防腐性指標(biāo)要求高于HG/T 4339—2012，展現(xiàn)了無(wú)溶劑涂料優(yōu)良的防腐蝕性能。但是，HG/T 5177—2017 中耐老化性能指標(biāo)低于HG/T 4339—2012，這是由于無(wú)溶劑涂料一般不區(qū)分底漆、面漆，因此無(wú)溶劑涂料在裝飾性涂裝應(yīng)用方面受到限制。

HG/T 5177—2017 適用的產(chǎn)品有電力、交通設(shè)施、石油化工、建筑工程、海洋工程、市政工程、水務(wù)工程等鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)。顯然，HG/T 5177—2017 適用的都是固定設(shè)施的防腐蝕保護(hù)，而這些固定設(shè)施對(duì)裝飾性要求較低，重點(diǎn)是防腐蝕保護(hù)功能要求。工程機(jī)械則屬于移動(dòng)類的工程設(shè)備，對(duì)涂料的防腐蝕保護(hù)性能和裝飾性要求都較高，因此HG/T 5177—2017 規(guī)定的無(wú)溶劑防腐涂料不適用于工程機(jī)械設(shè)備。GB/T 31361—2015則明確指出，無(wú)溶劑環(huán)氧液體涂料適用于金屬材料的涂裝，但是不適用于裝飾涂層。

王恩清[15]利用端環(huán)氧基聚氨酯樹脂和端氨基聚氨酯樹脂制備的無(wú)溶劑環(huán)氧聚氨酯涂料具有優(yōu)異的物理機(jī)械性能和耐化學(xué)腐蝕性能，固含量為98.2%，可一次性厚涂，干膜厚度可達(dá)1 000 μm。但該涂料特別適合于石油儲(chǔ)罐、化工設(shè)備、橋梁、船舶、海上設(shè)施、輸油輸水管道等重防腐領(lǐng)域。在無(wú)溶劑涂料研發(fā)的相關(guān)文獻(xiàn)中，較少有關(guān)于光澤和耐老化的參數(shù)[15-17]。胡興蘭等[18]報(bào)道了無(wú)溶劑涂料的光澤和耐老化指標(biāo)，光澤（60°）達(dá)到了80，QUV 耐老化性達(dá)到1 000 h，氙燈耐老化性達(dá)到1 500 h，但是沒(méi)有關(guān)于失光的評(píng)定。

無(wú)溶劑涂料涂層的防腐蝕能力一方面與涂料配方有關(guān)，一方面與其涂層較厚有關(guān)。無(wú)溶劑涂料的涂層厚度一般在200 μm 以上，而工程機(jī)械行業(yè)涂裝標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5946—2008 要求底漆、面漆的厚度均≥80 μm（滿足GB/T 28699—2012附錄A 中表A.1和表A.3鋼結(jié)構(gòu)在C2~C4 大氣腐蝕環(huán)境下涂層配套體系要求），但總厚度仍然較GB/T 31361—2015 規(guī)定的最低200 μm 低很多。HG/T 5177—2017 規(guī)定測(cè)試樣板的厚度為（250±50）μm，而HG/T 4339—2012 中底漆耐鹽霧測(cè)試規(guī)定的涂層厚度為（45±5）μm，面漆耐鹽霧、耐老化測(cè)試規(guī)定的涂層厚度為145 μm（底漆+中涂+面漆，均取規(guī)定厚度的上限），而且現(xiàn)在工程機(jī)械涂裝已經(jīng)取消了中涂，在對(duì)涂料檢測(cè)時(shí)的實(shí)際厚度低于145 μm。

2.3 施工工藝的適應(yīng)性

無(wú)溶劑涂料與現(xiàn)有工程機(jī)械使用的水性涂料、高固含涂料相比，在工藝性方面有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。無(wú)溶劑涂料具有優(yōu)異的厚涂性，一次噴涂厚度可達(dá)200~500 μm，HG/T 5177—2017 規(guī)定無(wú)溶劑涂料的流掛性≥350 μm，這是水性涂料、高固含涂料所不能及的。但是，工程機(jī)械設(shè)備的涂層并不需要那么厚，這就要求無(wú)溶劑涂料噴涂的厚度可調(diào)整控制，一次性噴涂厚度最好在70~100 μm，底漆+面漆的厚度在140~200 μm。當(dāng)然，這也要求無(wú)溶劑涂料在這個(gè)厚度下的各種物理、化學(xué)性能達(dá)到工程機(jī)械涂裝的要求。

2.3.1 干燥性

HG/T 4339—2012 對(duì)涂料烘干性有要求，HG/T 5177—2017 只有表干和實(shí)干的要求，且技術(shù)指標(biāo)低于HG/T 4339—2012 要求。雖然無(wú)溶劑涂料固化時(shí)間可以調(diào)節(jié)，固化時(shí)間短則適用期也短；適用期加長(zhǎng)則固化干燥時(shí)間也會(huì)加長(zhǎng)。HG/T 5177—2017 適用的都是固定工程設(shè)施的涂裝，一般都是設(shè)備安裝固定后進(jìn)行涂裝，涂裝后自干即可，不需要進(jìn)行加熱烘干，也很難進(jìn)行大面積加熱烘干，因此表干的時(shí)間長(zhǎng)，且沒(méi)有烘干的技術(shù)要求。但工程機(jī)械不一樣，都是工廠流程化生產(chǎn)，工件涂裝只是工程機(jī)械制造中的一道工序，涂層干燥后才能往下一道工序轉(zhuǎn)。涂層的干燥必須控制在一定的時(shí)間才能滿足大規(guī)模、流水線的生產(chǎn)。另外，如果表干時(shí)間長(zhǎng)，涂層表面被污染的幾率增大，影響涂層的外觀裝飾性能。程原等[17]制成了一種環(huán)氧非異氰酸酯聚氨酯無(wú)溶劑涂料，耐鹽霧性達(dá)到4 000 h，而且表干時(shí)間僅25 min，實(shí)干時(shí)間僅120 min，但沒(méi)有外觀及耐老化性能數(shù)據(jù)。

2.3.2 流平性

無(wú)溶劑涂料通常黏度較高，需采用特殊的施工工具和工藝。由于無(wú)溶劑涂料固含量高，黏度增大，普通空氣噴涂不能正常噴出，需要壓力高的新型無(wú)氣泵。另外，無(wú)溶劑涂料反應(yīng)快，因此適用期短。如果調(diào)整延長(zhǎng)適用期，則干燥固化時(shí)間加長(zhǎng)[19]。由于無(wú)溶劑涂料固含量高，從噴槍噴嘴噴出到達(dá)工件表面的顆粒較大，加上反應(yīng)固化較快，涂料流平效果差，因此很難得到光澤較高的涂層，這也是無(wú)溶劑涂料裝飾性相對(duì)較差的原因。因此，如果要將無(wú)溶劑涂料用于工程機(jī)械的裝飾性涂裝，需要改善其流平性，使表面平整、光滑、均勻、光亮。

3 無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械行業(yè)推廣應(yīng)用的條件

無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械的推廣應(yīng)用一方面需要工程機(jī)械企業(yè)用其長(zhǎng)避其短，另一方面需要溶劑型涂料生產(chǎn)企業(yè)留其長(zhǎng)改其短。

3.1 工程機(jī)械涂裝裝飾性能要求的讓步

由于客戶的需求和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，工程機(jī)械對(duì)涂裝外觀質(zhì)量的要求越來(lái)越高。現(xiàn)在工程機(jī)械主要外觀面的面漆光澤都要求85 以上，部分企業(yè)要求90 以上。而無(wú)溶劑涂料在防腐蝕、厚涂性上優(yōu)勢(shì)明顯，但在涂層外觀、光澤方面卻是短板。因此，就目前無(wú)溶劑涂料而言，要在工程機(jī)械行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用是不可能的，除非工程機(jī)械涂裝倡導(dǎo)綠色涂料及工藝，改變高裝飾性的要求，即用其長(zhǎng)避其短。且需要得到工程機(jī)械的用戶支持，更需要政府的大力倡導(dǎo)和推動(dòng)。否則，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，難有企業(yè)愿意降低涂裝的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尤其是顏色、光澤這類客戶可直接感觀的指標(biāo)。

3.2 無(wú)溶劑涂料裝飾性能提高

雖然筆者認(rèn)為工程機(jī)械涂裝應(yīng)以防銹保護(hù)為主，重點(diǎn)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。但是從工程機(jī)械涂裝的發(fā)展來(lái)看，不僅防腐蝕性在提高，裝飾性也在提高，而且提高得更快，有的工程機(jī)械企業(yè)已經(jīng)在產(chǎn)品上使用了金屬漆。因此，想要無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械行業(yè)得到推廣應(yīng)用，按目前的發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)說(shuō)，必須提高其裝飾性，涂層要均勻、平滑、光亮，而且在一定壽命期內(nèi)，涂層不能明顯失光、褪色。在無(wú)溶劑涂料產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，需增加光澤以及耐老化性的指標(biāo)。

3.3 無(wú)溶劑涂料工藝性能改善

工程機(jī)械用無(wú)溶劑涂料的開(kāi)發(fā)應(yīng)結(jié)合工程機(jī)械生產(chǎn)及涂裝工藝、設(shè)備來(lái)展開(kāi)，最好是在不改變現(xiàn)有工藝條件的情況下就可以使用。根據(jù)工程機(jī)械涂裝的工藝特點(diǎn)，無(wú)溶劑涂料的開(kāi)發(fā)在工藝性方面需改善薄涂性、流平性和干燥性。

當(dāng)然，為了使用性能優(yōu)異的涂料，工程機(jī)械的涂裝工藝條件也可以進(jìn)行一定的改變，以適應(yīng)無(wú)溶劑涂料的應(yīng)用。

3.4 無(wú)溶劑涂料具有效率成本優(yōu)勢(shì)

目前，由于無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械行業(yè)沒(méi)有批量應(yīng)用，因此無(wú)溶劑涂料的實(shí)際應(yīng)用效率、成本較現(xiàn)有的高固含溶劑型涂料、粉末涂料、水性涂料等的變化還沒(méi)有數(shù)據(jù)支撐。但是，這是無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)用必須面臨的問(wèn)題。因此，工程機(jī)械用無(wú)溶劑涂料的研究和應(yīng)用在滿足各項(xiàng)性能的情況下，綜合成本不能明顯增加，也不能造成涂裝生產(chǎn)效率的下降。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)溶劑涂料目前在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用仍處于工藝試驗(yàn)階段。由于無(wú)溶劑涂料的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，可作為工程機(jī)械涂料選擇的一個(gè)方向。但是，現(xiàn)有無(wú)溶劑涂料涂層的裝飾性能、耐老化性能、施工的干燥性能等與工程機(jī)械涂裝要求和工藝條件等還存在一定的差距，需要進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。工程機(jī)械涂裝用無(wú)溶劑涂料需要根據(jù)工程機(jī)械涂裝功能需要、工藝特點(diǎn)等有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)。

針對(duì)工程機(jī)械涂裝的特點(diǎn)和要求，無(wú)溶劑涂料用作面漆時(shí)需要提高光澤，以提高裝飾性，同時(shí)需要提高耐老化性能，尤其是提高保光保色性能。另外，無(wú)溶劑涂料需要改善干燥的工藝性，縮短表干及烘干的時(shí)間，滿足流程化的連續(xù)生產(chǎn)。工程機(jī)械企業(yè)應(yīng)結(jié)合自己生產(chǎn)供應(yīng)與設(shè)備情況，開(kāi)展工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證，重點(diǎn)是通過(guò)工藝參數(shù)選擇優(yōu)化提高涂層的平整、均勻性，通過(guò)不同干燥條件驗(yàn)證涂層的干燥性，選擇既適應(yīng)生產(chǎn)工藝條件又節(jié)能的干燥工藝。

另外，還需要進(jìn)行無(wú)溶劑涂料的涂層性能測(cè)試和數(shù)據(jù)分析。一方面可以確定滿足工程機(jī)械涂裝防護(hù)要求的最低涂層厚度，以及實(shí)現(xiàn)較薄涂層的施工方法。一方面要確定厚涂對(duì)工程機(jī)械涂裝生產(chǎn)效率、成本的實(shí)際影響，以及和現(xiàn)有水性涂料、粉末涂料等的對(duì)比結(jié)果。如此才能更好地將無(wú)溶劑涂料在工程機(jī)械行業(yè)推廣應(yīng)用。