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

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

目前工程機械主要采用 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)工程機械面漆涂裝工藝的要求,，研究了不同水性羥基丙烯酸樹脂對工程機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械涂裝工藝的水性丙烯酸樹脂的種類和復配比例,。

水性羥基丙烯酸樹脂乳液（A,、B、C,、D）,、異氰酸酯：科思創(chuàng)；潤濕劑,、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。

9080F-A 噴砂機：上海嘉士多涂裝設備有限公司,；JSF-400 砂磨分散攪拌多用機,、QCJ 漆膜沖擊器、老化箱：上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術有限公司,；JY12002電子天平：上海雙旭電子有限公司； Minnijet 4400 -120 噴槍：SATA 德國 SATA,；ZB-0.11 / 7 風機：浙江永源機電有限公司,；DHG - 9023A 烘箱：上海精宏實驗設備有限公司；E3060°光澤計：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,。

水性羥基丙烯酸樹脂和異氰酸酯的成膜機理如圖 1 所示,。

圖1 成膜機理

客戶所要求的工程機械面漆的性能指標及其測試方法如表 2 所示。

表 2 涂料性能測試

2.1.1 不同水性丙烯酸樹脂的性能參數(shù)

選用的 4 種水性羥基丙烯酸樹脂的性能參數(shù)如表 3 所示,。

表3 4種水性羥基丙烯酸樹脂的性能參數(shù)

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

2.1.2 對面漆成膜過程的影響

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

表4 不同厚度的漆膜 60 ℃下的干燥時間

根據(jù)目前制定的工程機械面漆技術要求，干膜厚度 40~60 μm （ 相對應的濕膜厚度為 75~125 μm）的涂層在 60 ℃烘烤溫度下 30 min 內(nèi)達到規(guī)定的干燥程度（出烘箱冷卻后可下掛為標準,，沒有具體硬度要求,，根據(jù)經(jīng)驗，硬度大致在 HB）?？紤]到工程機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)場涂裝要求,，一般認為當濕膜厚度 150~200 μm 能在 30 min 內(nèi)達到規(guī)定的干燥程度則符合要求,。表 4 可以看出樹脂A制成的涂膜在 60 ℃ 下烘烤25 min 能使200 μm 的濕膜厚度干燥，符合工程機械面漆在 60 ℃下烘烤 30 min 能干燥下掛的要求,。而另外 3 種樹脂的干燥時間均不符合工程機械面漆的要求,。

在雙組分水性聚氨酯涂料成膜過程中，由于水會與異氰酸酯發(fā)生反應生成二氧化碳,，這是雙組分水性聚氨酯涂層產(chǎn)生氣泡的主要原因,；另外施工過程容易混入大量的空氣而產(chǎn)生氣泡，這也會導致雙組分水性聚氨酯涂料在成膜過程中產(chǎn)生氣泡,。實驗中研究了幾種樹脂制成的涂膜在 60 ℃ 30 min 下的起泡情況,，結果如圖 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,，同時對涂膜平整度和光澤影響不大,。由圖 2 和表5 可以看出，樹脂A和樹脂C制成的涂膜氣泡直徑較大而且單位面積起泡個數(shù)較多,，特別當濕膜厚度達到100 ~ 200 μm 時起泡現(xiàn)象很嚴重,，已嚴重影響到涂膜外觀質(zhì)量。樹脂D制成的涂膜與樹脂 A,、樹脂C相比,，由于樹脂D制成的涂膜在 60 ℃下干燥時間較長，反應速度較慢,，涂膜表面乳液凝結速度慢,，產(chǎn)生的CO2 容易逃逸，另外其樹脂玻璃化溫度相對較低,，涂膜產(chǎn)生的氣泡直徑大小和單位面積氣泡個數(shù)相對理想,。樹脂B制成的不同濕膜厚度的涂膜在 60 ℃烘烤下基本上沒有出現(xiàn)氣泡,，樹脂氣泡直徑在 60 μm 以內(nèi)而且單位面積起泡個數(shù)很少,，得到了良好的涂膜質(zhì)量外觀。這是因為樹脂B制成的涂膜干燥速度較慢,，與另外3種樹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,，樹脂A制成的涂膜干燥速度較快,，符合工程機械干膜厚度 40~60 μm（相對應的濕膜厚度為75~125 μm）的涂膜在60 ℃烘烤溫度下30 min 內(nèi)能干燥下掛的技術指標，但是在成膜過程中起泡嚴重,，會嚴重影響到涂膜的外觀質(zhì)量,。樹脂B制成的50~200μm 的濕膜在60 ℃ 下基本上沒有出現(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,，不能達到工程機械面漆的干燥速度要求。樹脂C制成的涂膜雖然在60℃下干燥速度較快,，但仍不能達到工程機械面漆的干燥速度要求,，而且成膜過程中起泡現(xiàn)象嚴重，影響到涂膜的外觀質(zhì)量,。樹脂D制成的涂膜雖然沒有產(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,，會影響到工程機械面漆的涂裝效率。

2.1.3 對面漆耐候性的影響

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

圖3 涂膜失光率和△E 隨老化時間的變化

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

2.1.4 對漆膜性能的影響

水性羥基丙烯酸樹脂對漆膜性能的影響如表 6所示。

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

表 6 水性丙烯酸樹脂種類對涂膜性能的影響

從表 6 還可以看出,，樹脂 B,、C、D 制成的涂膜均具有較好的耐沖擊性,，能達到目前工程機械面漆耐沖擊性能指標要求,。這是因為樹脂B和樹脂D自身玻璃化溫度較低，交聯(lián)成膜后,，玻璃化溫度雖會有較大增加,，但較其他樹脂交聯(lián)后小，因此具有較好的耐沖擊性,；樹脂C由于羥值最高,，有較高的交聯(lián)密度，機械性能較好,，耐沖擊性也達到了50cm,；而樹脂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,，不符合工程機械面漆的性能指標要求,。

從表 6 可以看出，4 種樹脂制成的涂膜均具有較好的柔韌性和附著力,，都達到了工程機械面漆性能指標要求,。這是因為氨酯鍵中含有氫鍵，在外力的存在下氫鍵可分離吸收外來能量,，當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 種樹脂制成的涂膜均具有很好的耐化學性,，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,、耐水性均能達到工程機械面漆的性能要求,。

總體來說，樹脂A制成的涂膜的耐沖擊性能較差,；4 種樹脂制成的涂膜其他性能基本達到了目前工程機械面漆的性能指標,。

2.2.1 復配比例對面漆成膜過程的影響

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

表7 復配比例涂膜干燥時間和起泡的影響

從表 7 可以看出,，隨著樹脂B用量的增加,，涂膜的干燥速度變慢。當樹脂A與B的復配比例為 10：0,、9：1,、7：3時能滿足目前工程機械的施工時間要求。隨著樹脂A用量的增加,，涂膜的氣泡直徑增大,，單位面積氣泡個數(shù)也增多,。尤其當復配比例為 10：0、9：1時會產(chǎn)生直徑較大的氣泡,，均超過了 60 μm,，嚴重影響到涂膜的外觀質(zhì)量。另外樹脂B的T_g較低,，當復配比例中樹脂B的含量較多時涂膜表面較軟,，在60 ℃烘烤溫度下能得到優(yōu)異的涂膜外觀質(zhì)量。

因此,，當樹脂A與樹脂B的復配比例為 10：0和9：1時,，會產(chǎn)生較大的氣泡，嚴重影響到涂膜外觀質(zhì)量,，不能用于工程機械的面漆涂層,； 其他的復配比例下均能得到較好的涂膜質(zhì)量，但只有 7： 3的比例可同時滿足干燥時間的要求,。因此,，樹脂A與樹脂B的復配比例為 7：3時，綜合性能滿足工程機械面漆涂層的要求,。

2.2.2 復配比例對面漆耐候性的影響

樹脂A與樹脂B的復配比例的變化也會影響到涂膜的耐候性,，人工加速老化試驗結果如圖 4、5 所示,。

圖4 涂膜失光率隨人工加速老化時間的變化

圖5 △E 隨人工加速老化時間的變化

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

不同復配比例的涂膜的失光率差異較大，隨著樹脂B相對比例的增加,，涂膜的耐候性越來越差,，當復配比例為 3： 7時涂膜已不能達到目前工程機械面漆的耐候性要求。

2.2.3 復配比例對涂膜性能的影響

復配比例對涂膜性能的影響如表 8 所示,。

表 8 復配比例對涂膜性能的影響

由表 8 可以看出,，隨著樹脂B的比例增加，涂膜的硬度相應下降,。這是因為樹脂B的T_g較低,，只有7.3 ℃ ，在室溫下處于高彈態(tài),，B 樹脂含量增多會使涂膜表面變軟,。但幾種復配比例的涂膜均能達到目前工程機械面漆的硬度指標要求,。

由表 8 還可以看出，樹脂A與樹脂B的復配比例為 10：0,、9：1時,，涂膜的耐沖擊性較差，不符合目前工程機械面漆的耐沖擊性指標要求,。隨著B樹脂含量的增加,，涂膜的耐沖擊性有所提高,。這是因為樹脂A 的Tg較高（46.2℃）,，樹脂B的增多會提高涂膜的柔韌性，從而提高了涂膜的耐沖擊性,。

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

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

（2）當樹脂A與樹脂B以 7：3的比例共混復配時可以達到涂膜整體性能最優(yōu)，能夠滿足工程機械面漆的各項性能要求,。