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工程機(jī)械面漆作為工程機(jī)械涂層體系的最外涂層，對(duì)外觀要求比較高，要有很高的裝飾性，同時(shí)還要求硬度高、附著力好、耐沖擊性好、柔韌性好，并有良好的耐化學(xué)性；另外工程機(jī)械大多情況下都是露天作業(yè)，施工工況惡劣，還要求工程機(jī)械面漆涂層具有良好的耐候性 。

丙烯酸樹(shù)脂幾乎不吸收波長(zhǎng) 300 nm 以上的紫外線及可見(jiàn)光，而且主鏈的C—C鍵耐水解 。另外，水性丙烯酸樹(shù)脂具有較好的光澤、化學(xué)性能和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種低 VOC 的綠色環(huán)保型樹(shù)脂。

目前工程機(jī)械主要采用 2C2B（兩噴兩烘）工藝，即“底漆噴涂→烘烤→面漆噴涂→烘烤” 的涂裝工藝。目前工程機(jī)械面漆的涂裝工藝主要是：噴涂完面漆后流平 10 ~ 15 min，在 60 ℃左右烘烤 30 min，烘烤后冷卻 30 min 后下掛。

本研究根據(jù)工程機(jī)械面漆涂裝工藝的要求，研究了不同水性羥基丙烯酸樹(shù)脂對(duì)工程機(jī)械雙組分水性聚氨酯面漆性能的影響，最終確定了符合工程機(jī)械涂裝工藝的水性丙烯酸樹(shù)脂的種類和復(fù)配比例。

水性羥基丙烯酸樹(shù)脂乳液（A、B、C、D）、異氰酸酯：科思創(chuàng)；潤(rùn)濕劑、分散劑、消泡劑：BYK；增稠劑：麗利工業(yè)；鈦白粉：杜邦。以上原料均為工業(yè)級(jí)。

9080F-A 噴砂機(jī)：上海嘉士多涂裝設(shè)備有限公司；JSF-400 砂磨分散攪拌多用機(jī)、QCJ 漆膜沖擊器、老化箱：上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；JY12002電子天平：上海雙旭電子有限公司； Minnijet 4400 -120 噴槍：SATA 德國(guó) SATA；ZB-0.11 / 7 風(fēng)機(jī)：浙江永源機(jī)電有限公司；DHG - 9023A 烘箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；E3060°光澤計(jì)：科仕佳光儀器研究所；U9320A 掃描電鏡：安捷倫科技有限公司。

雙組分水性聚氨酯面漆的A組分配方如表 1所示。

表 1 主要配方

雙組分水性聚氨酯面漆的制備工藝如下。

（1）漿料研磨。在 500 r / min 下將去離子水、消泡劑、潤(rùn)濕劑、分散劑、鈦白粉依次加入攪拌容器中，攪拌 15 min；然后將攪拌速度控制在3 000 r / min左右，研磨 60 min 后，制得白色漿。

（2）A 組分配制。在1 200 r / min下，依次加入白色漿、水性羥基丙烯酸乳液、消泡劑、增稠劑，攪拌 30~ 50 min，制得水性聚氨酯涂料的A組分。

（3）B 組分：異氰酸酯。將A組分與B組分按照n（—NCO）∶n（—OH）= 1.5∶1混合后，攪拌均勻，加水稀釋至噴涂黏度（涂4#杯30 s），噴涂樣板，干燥后保養(yǎng) 7D待用。

水性羥基丙烯酸樹(shù)脂和異氰酸酯的成膜機(jī)理如圖 1 所示。

圖1 成膜機(jī)理

客戶所要求的工程機(jī)械面漆的性能指標(biāo)及其測(cè)試方法如表 2 所示。

表 2 涂料性能測(cè)試

2.1.1 不同水性丙烯酸樹(shù)脂的性能參數(shù)

選用的 4 種水性羥基丙烯酸樹(shù)脂的性能參數(shù)如表 3 所示。

表3 4種水性羥基丙烯酸樹(shù)脂的性能參數(shù)

從表 3 可以看出，樹(shù)脂B固含最高，樹(shù)脂C固含最低。樹(shù)脂C的—OH含量最高，樹(shù)脂 A、樹(shù)脂B次之，樹(shù)脂D的—OH含量最低。樹(shù)脂A密度最大，另外 3 種樹(shù)脂密度比較接近。樹(shù)脂B的Tg最低，只有7.3℃ ，在常溫下處于高彈態(tài)；樹(shù)脂D的T_g為 23.6℃ ；另外2種樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g） 在 46.2 ~51.2 ℃之間，在常溫下處于玻璃態(tài)。

2.1.2 對(duì)面漆成膜過(guò)程的影響

根據(jù)目前工程機(jī)械面漆的涂裝工藝，將噴涂完的面漆試板放至在 60 ℃ 的烘箱中烘烤，并測(cè)試試板涂膜的干燥時(shí)間，結(jié)果如表 4 所示。

表4 不同厚度的漆膜 60 ℃下的干燥時(shí)間

根據(jù)目前制定的工程機(jī)械面漆技術(shù)要求，干膜厚度 40~60 μm （ 相對(duì)應(yīng)的濕膜厚度為 75~125 μm）的涂層在 60 ℃烘烤溫度下 30 min 內(nèi)達(dá)到規(guī)定的干燥程度（出烘箱冷卻后可下掛為標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有具體硬度要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，硬度大致在 HB）。考慮到工程機(jī)械的涂裝采用人工噴涂，不可避免地出現(xiàn)局部區(qū)域濕膜較厚，所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涂裝要求，一般認(rèn)為當(dāng)濕膜厚度 150~200 μm 能在 30 min 內(nèi)達(dá)到規(guī)定的干燥程度則符合要求。表 4 可以看出樹(shù)脂A制成的涂膜在 60 ℃ 下烘烤25 min 能使200 μm 的濕膜厚度干燥，符合工程機(jī)械面漆在 60 ℃下烘烤 30 min 能干燥下掛的要求。而另外 3 種樹(shù)脂的干燥時(shí)間均不符合工程機(jī)械面漆的要求。

在雙組分水性聚氨酯涂料成膜過(guò)程中，由于水會(huì)與異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳，這是雙組分水性聚氨酯涂層產(chǎn)生氣泡的主要原因；另外施工過(guò)程容易混入大量的空氣而產(chǎn)生氣泡，這也會(huì)導(dǎo)致雙組分水性聚氨酯涂料在成膜過(guò)程中產(chǎn)生氣泡。實(shí)驗(yàn)中研究了幾種樹(shù)脂制成的涂膜在 60 ℃ 30 min 下的起泡情況，結(jié)果如圖 2 和表 5 所示。

圖2 涂膜在不同濕膜厚度下的起泡情況

表5 涂膜在不同濕膜厚度下的起泡情況

眾所周知人眼的分辨率約為 1′，所以正常人眼最小分辨距離約為 0.06 mm。所以當(dāng)涂膜中氣泡直徑在 60 μm 以內(nèi)的少量微觀缺陷，人眼比較難觀察到，同時(shí)對(duì)涂膜平整度和光澤影響不大。由圖 2 和表5 可以看出，樹(shù)脂A和樹(shù)脂C制成的涂膜氣泡直徑較大而且單位面積起泡個(gè)數(shù)較多，特別當(dāng)濕膜厚度達(dá)到100 ~ 200 μm 時(shí)起泡現(xiàn)象很嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響到涂膜外觀質(zhì)量。樹(shù)脂D制成的涂膜與樹(shù)脂 A、樹(shù)脂C相比，由于樹(shù)脂D制成的涂膜在 60 ℃下干燥時(shí)間較長(zhǎng)，反應(yīng)速度較慢，涂膜表面乳液凝結(jié)速度慢，產(chǎn)生的CO2 容易逃逸，另外其樹(shù)脂玻璃化溫度相對(duì)較低，涂膜產(chǎn)生的氣泡直徑大小和單位面積氣泡個(gè)數(shù)相對(duì)理想。樹(shù)脂B制成的不同濕膜厚度的涂膜在 60 ℃烘烤下基本上沒(méi)有出現(xiàn)氣泡，樹(shù)脂氣泡直徑在 60 μm 以內(nèi)而且單位面積起泡個(gè)數(shù)很少，得到了良好的涂膜質(zhì)量外觀。這是因?yàn)闃?shù)脂B制成的涂膜干燥速度較慢，與另外3種樹(shù)脂制成的涂膜相比在 60 ℃ 下表現(xiàn)出一定的粘流性，生成的 CO₂ 很容易逃逸出涂膜表面，形成了較好的外觀質(zhì)量。

綜上，樹(shù)脂A制成的涂膜干燥速度較快，符合工程機(jī)械干膜厚度 40~60 μm（相對(duì)應(yīng)的濕膜厚度為75~125 μm）的涂膜在60 ℃烘烤溫度下30 min 內(nèi)能干燥下掛的技術(shù)指標(biāo)，但是在成膜過(guò)程中起泡嚴(yán)重，會(huì)嚴(yán)重影響到涂膜的外觀質(zhì)量。樹(shù)脂B制成的50~200μm 的濕膜在60 ℃ 下基本上沒(méi)有出現(xiàn)大的起泡情況，能得到較好的涂膜外觀質(zhì)量，但是干燥速度較慢，不能達(dá)到工程機(jī)械面漆的干燥速度要求。樹(shù)脂C制成的涂膜雖然在60℃下干燥速度較快，但仍不能達(dá)到工程機(jī)械面漆的干燥速度要求，而且成膜過(guò)程中起泡現(xiàn)象嚴(yán)重，影響到涂膜的外觀質(zhì)量。樹(shù)脂D制成的涂膜雖然沒(méi)有產(chǎn)生直徑較大的氣泡，但仍然形成了一些小泡，影響到涂膜的外觀質(zhì)量，而且干燥速度較慢，會(huì)影響到工程機(jī)械面漆的涂裝效率。

2.1.3 對(duì)面漆耐候性的影響

工程機(jī)械長(zhǎng)期處于戶外作業(yè)，所以對(duì)面漆的耐候性要求很高，在人工加速老化箱1 200 h后要求不開(kāi)裂、不粉化、不起泡、失光率在 20%內(nèi)、允許輕微變色（△E≤3）。本實(shí)驗(yàn)選用的 4 種水性羥基丙烯酸樹(shù)脂配制涂料的工藝相同，涂料的干膜膜厚在 40~60 μm之間。老化試驗(yàn)前樹(shù)脂A、B、C、D制備的涂膜的光澤均能達(dá)到 85 及以上，基本上能達(dá)到工程機(jī)械面漆的外觀質(zhì)量要求。人工加速老化試驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。

圖3 涂膜失光率和△E 隨老化時(shí)間的變化

由圖 3 可以看出，4 種樹(shù)脂涂膜經(jīng)過(guò)1 200 h老化測(cè)試后，△E 均小于 3，符合工程機(jī)械耐候性輕微變色要求；4 種樹(shù)脂在失光率上有明顯差異，其中樹(shù)脂B 和樹(shù)脂D制成的涂膜的耐候性較差，樹(shù)脂B制成的涂膜在人工加速老化 600 h 后失光率已達(dá)到 20%，而樹(shù)脂D制成的涂膜在人工加速老化 400 h 后就已不合格，均未能達(dá)到目前工程機(jī)械面漆的耐候性要求。樹(shù)脂A和樹(shù)脂C制成的涂膜具有較好的耐候性，1 200 h后失光率均在 13%以內(nèi)，能達(dá)到目前工程機(jī)械面漆的耐候性要求。

2.1.4 對(duì)漆膜性能的影響

水性羥基丙烯酸樹(shù)脂對(duì)漆膜性能的影響如表 6所示。

由表 6 可以看出，樹(shù)脂C制成的涂膜硬度最高，其次是樹(shù)脂 A。樹(shù)脂B和樹(shù)脂D制成的涂膜硬度較差。這是因?yàn)闃?shù)脂C羥基含量最大，涂料成膜后具有較高的交聯(lián)密度，機(jī)械性能提高，具有較好的涂膜硬度。而其他3種樹(shù)脂的羥基含量較低，交聯(lián)密度較低，相應(yīng)的涂膜硬度也有所下降。另外，由于樹(shù)脂A的T_g較高，達(dá)到 46.2 ℃ ，在室溫下處于玻璃態(tài)，所得的涂膜硬度較高。但4種樹(shù)脂制成的涂膜硬度均達(dá)到了H，符合工程機(jī)械面漆的硬度指標(biāo)要求。

表 6 水性丙烯酸樹(shù)脂種類對(duì)涂膜性能的影響

從表 6 還可以看出，樹(shù)脂 B、C、D 制成的涂膜均具有較好的耐沖擊性，能達(dá)到目前工程機(jī)械面漆耐沖擊性能指標(biāo)要求。這是因?yàn)闃?shù)脂B和樹(shù)脂D自身玻璃化溫度較低，交聯(lián)成膜后，玻璃化溫度雖會(huì)有較大增加，但較其他樹(shù)脂交聯(lián)后小，因此具有較好的耐沖擊性；樹(shù)脂C由于羥值最高，有較高的交聯(lián)密度，機(jī)械性能較好，耐沖擊性也達(dá)到了50cm；而樹(shù)脂A制成的涂膜在常溫下處于玻璃態(tài)，再加上羥值較低，難以形成較高的交聯(lián)密度，涂膜脆性較大，耐沖擊性只有 35cm，不符合工程機(jī)械面漆的性能指標(biāo)要求。

從表 6 可以看出，4 種樹(shù)脂制成的涂膜均具有較好的柔韌性和附著力，都達(dá)到了工程機(jī)械面漆性能指標(biāo)要求。這是因?yàn)榘滨ユI中含有氫鍵，在外力的存在下氫鍵可分離吸收外來(lái)能量，當(dāng)外力去除后可重新再形成氫鍵，氫鍵的存在使聚氨酯涂料的涂膜具有較優(yōu)異的柔韌性、附著力。

4 種樹(shù)脂制成的涂膜均具有很好的耐化學(xué)性，在合適的 A、B 組分比例下具有一定的交聯(lián)密度，涂膜也具有很好的致密性，耐酸、耐堿、耐水性均能達(dá)到工程機(jī)械面漆的性能要求。

總體來(lái)說(shuō)，樹(shù)脂A制成的涂膜的耐沖擊性能較差；4 種樹(shù)脂制成的涂膜其他性能基本達(dá)到了目前工程機(jī)械面漆的性能指標(biāo)。

2.2.1 復(fù)配比例對(duì)面漆成膜過(guò)程的影響

上述 4 種水性丙烯酸樹(shù)脂配成的涂料均未能從整體上滿足工程機(jī)械面漆的性能要求。因此從上面4 種水性丙烯酸樹(shù)脂中選擇了性能較佳的 2 種樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)配（樹(shù)脂A在烘烤溫度 60 ℃ 下干燥速度較快，具有很好的耐候性；樹(shù)脂B在 60 ℃干燥下起泡較少，涂膜外觀質(zhì)量較好）。研究了樹(shù)脂A和樹(shù)脂B種水性羥基丙烯酸樹(shù)脂不同復(fù)配比例的涂膜在60 ℃下的干燥時(shí)間和起泡情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 7 所示。

表7 復(fù)配比例涂膜干燥時(shí)間和起泡的影響

從表 7 可以看出，隨著樹(shù)脂B用量的增加，涂膜的干燥速度變慢。當(dāng)樹(shù)脂A與B的復(fù)配比例為 10：0、9：1、7：3時(shí)能滿足目前工程機(jī)械的施工時(shí)間要求。隨著樹(shù)脂A用量的增加，涂膜的氣泡直徑增大，單位面積氣泡個(gè)數(shù)也增多。尤其當(dāng)復(fù)配比例為 10：0、9：1時(shí)會(huì)產(chǎn)生直徑較大的氣泡，均超過(guò)了 60 μm，嚴(yán)重影響到涂膜的外觀質(zhì)量。另外樹(shù)脂B的T_g較低，當(dāng)復(fù)配比例中樹(shù)脂B的含量較多時(shí)涂膜表面較軟，在60 ℃烘烤溫度下能得到優(yōu)異的涂膜外觀質(zhì)量。

因此，當(dāng)樹(shù)脂A與樹(shù)脂B的復(fù)配比例為 10：0和9：1時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的氣泡，嚴(yán)重影響到涂膜外觀質(zhì)量，不能用于工程機(jī)械的面漆涂層； 其他的復(fù)配比例下均能得到較好的涂膜質(zhì)量，但只有 7： 3的比例可同時(shí)滿足干燥時(shí)間的要求。因此，樹(shù)脂A與樹(shù)脂B的復(fù)配比例為 7：3時(shí)，綜合性能滿足工程機(jī)械面漆涂層的要求。

2.2.2 復(fù)配比例對(duì)面漆耐候性的影響

樹(shù)脂A與樹(shù)脂B的復(fù)配比例的變化也會(huì)影響到涂膜的耐候性，人工加速老化試驗(yàn)結(jié)果如圖 4、5 所示。

圖4 涂膜失光率隨人工加速老化時(shí)間的變化

圖5 △E 隨人工加速老化時(shí)間的變化

不同復(fù)配比例的涂膜在人工加速老化前均具有較高的光澤，說(shuō)明樹(shù)脂A和樹(shù)脂B具有較好的相容性；同時(shí)，不同復(fù)配比例的涂膜經(jīng)過(guò)1 200 h老化測(cè)試后，△E 變化不大，均小于 3，符合工程機(jī)械耐候性的輕微變色要求。

不同復(fù)配比例的涂膜的失光率差異較大，隨著樹(shù)脂B相對(duì)比例的增加，涂膜的耐候性越來(lái)越差，當(dāng)復(fù)配比例為 3： 7時(shí)涂膜已不能達(dá)到目前工程機(jī)械面漆的耐候性要求。

2.2.3 復(fù)配比例對(duì)涂膜性能的影響

復(fù)配比例對(duì)涂膜性能的影響如表 8 所示。

表 8 復(fù)配比例對(duì)涂膜性能的影響

由表 8 可以看出，隨著樹(shù)脂B的比例增加，涂膜的硬度相應(yīng)下降。這是因?yàn)闃?shù)脂B的T_g較低，只有7.3 ℃ ，在室溫下處于高彈態(tài)，B 樹(shù)脂含量增多會(huì)使涂膜表面變軟。但幾種復(fù)配比例的涂膜均能達(dá)到目前工程機(jī)械面漆的硬度指標(biāo)要求。

由表 8 還可以看出，樹(shù)脂A與樹(shù)脂B的復(fù)配比例為 10：0、9：1時(shí)，涂膜的耐沖擊性較差，不符合目前工程機(jī)械面漆的耐沖擊性指標(biāo)要求。隨著B(niǎo)樹(shù)脂含量的增加，涂膜的耐沖擊性有所提高。這是因?yàn)闃?shù)脂A 的Tg較高（46.2℃），樹(shù)脂B的增多會(huì)提高涂膜的柔韌性，從而提高了涂膜的耐沖擊性。

在合適的 A、B 樹(shù)脂比例下，不同復(fù)配比例的涂膜均具有較好的致密性，耐酸、耐堿、耐水性均能達(dá)到目前工程機(jī)械面漆的性能要求。

（1）4種羥基丙烯酸樹(shù)脂配成的涂料均不能從整體上滿足工程機(jī)械面漆的性能的要求。

（2）當(dāng)樹(shù)脂A與樹(shù)脂B以 7：3的比例共混復(fù)配時(shí)可以達(dá)到涂膜整體性能最優(yōu)，能夠滿足工程機(jī)械面漆的各項(xiàng)性能要求。