新型的环保涂料-低温固化阴极电泳涂料

1  前言
电泳涂装较其它涂装方式而言具有涂层耐蚀性能优良,覆盖能力好,涂装设备自动化程度高、能耗低、污染少、涂料利用率高等特点,是有利于环保的一种低污染高性能的涂装方式,普遍受到各国涂装界的高度重视,成为涂装工业中一种快速发展的涂装法。电泳涂料的研究始于60 年代初。早期研制出的产品只适用于要求不高的产品外壳的阳极电泳涂装。由于电泳涂装一出现就表现出其它涂装方式不可比拟的优点,从而反过来促进了电泳涂料和电泳涂装技术的研究和快速发展。如今已研制出适用于汽车等各类高档产品的阴极电泳漆。据统计,以汽车涂装为例,1965 年只有1 %的汽车车身的底漆采用电泳涂装法进行生产; 1970 年为10 %;而今已达98 %以上。其中,采用阴极电泳涂装已达95 %。这表明阴极电泳涂装技术在涂装工业中已占有重要的地位。随着技术的发展,在英国、德国、美国、日本等发达国家,为适应产品的特殊要求,已开发了:厚膜型阴极电泳涂料,防锈型电泳涂料、耐候型电泳涂料等,随着环保节能意识的增强,人们迫切希望低温固化阴极电泳漆的面市。普通的阴极电泳涂料需在180 ℃、烘烤30min ,不仅增加了烘干成本,更重要的是被涂物(如汽车底盘等) 或因高温下应变、或因热容量大而烘焙不透、耗费能源,因此热容量大的厚板件、铸件或者不能在高温下烘干的塑料、橡胶附件,通常只能使用固化温度低的溶剂型涂料和常温固化性涂料。为满足产品性能和环保节能,低温固化阴极电泳漆的面市愈发迫切。

2  国内外技术发展概况及国内需求
目前,日本、德国等已研制出一系列低温固化阴极电泳漆。如德研制的一种低温固化聚氨酯阴极电泳涂料,需二次烘干,固化条件为:160 ℃、10min ;130 ℃、30min ;而日本在这一领域则占有绝对优势:如NS – 88 就是以最新环氧树脂系阴极电泳涂料为基料而开发的低温固化型涂料,这种涂料性能与一般阴极电泳涂料相同,特别适用于汽车涂装。由于其固化温度低,所以在涂装汽车底盘等大型工
件时不会产生变形,可以整件涂装; 除此以外,钢板、铸件等壁厚的工件也可采用这种涂料涂装;另日本神东涂料工司还开发了• › ¨ —NS88 的厚膜型低温固化阴极电泳涂料以适应用户为省去中涂工程和保证电泳涂膜的平滑性而开发的产品,且已投放市场。相比之下,国内在这个领域则仍属空白,许多大的汽车生产厂家仍延用PPG 公司或Hoest 公司的产品。由于国内无低温固化阴极电泳漆,致使这种涂料的价格高企,如日本在中国出售的一种低温固化阴极电泳漆,固化条件是:145 ℃、30min 烘烤,售价高昂,令厂家不堪重负。

3  国内现状
我国开发电泳涂料及其涂装技术已有30 年历史,第一代阴极电泳涂料于1979 年研制成功,并在军工产品和长安微型车上应用,随后很多油漆厂包括长春、天津、四平等油漆厂也做了大量的开发工作,并已生产阴极电泳涂料,我国自行开发研制的黑色阴极电泳涂料已投入生产,虽然我国开发的阴极电泳涂料与进口涂料相比,仍有一定差距,但也已达到汽车零部件涂装的要求,并且所用原材料立足于国内,产品价格明显低于进口的产品。但也应看到,在九十年代阴极电泳涂料的几大发展方向中,我国至今还未有研制出产品,只停留在国外80 年代中期水平。
综上所述我们认为完全有能力立足于我国现有的阴极电泳漆,降低烘干温度和固化时间,提高漆膜的耐蚀性、耐候性等性能,尤其在大力宣扬环保节能的潮流下,开发出低温固化阴极电泳漆这一环保新产品,填补国内这一空白十分必要。

4  研究方向:
为适应市场的发展、提高竞争力,这种低温固化阴极电泳涂料必须具备低温(固化温度约在145~165 ℃之间) ,具备良好的耐候性、外观装饰性、耐蚀性和耐久性,即其兼具有丙烯酸与环氧树脂的优点。
阴极电泳涂料由几大部分组成:
①阳离子树脂
②交联剂
③颜料和填料
④中和剂
对此,抓住关键部分从以下两个方面入手:
(1) 树脂:
树脂是阴极电泳涂料的主体,这种主体树脂是离子型的。采用:多种阳离子型树脂共溶或通过化学改性制备阳离子树脂的方法(由于单一的阳离子树脂已难以使阴极电泳涂料具备优异的综合性能) ,而后采用有机酸(如甲酸、乙酸等) 或有机酸中和多胺树脂而成。这种合成方式已成为当前阴极电泳涂料的研究方向。技术的关键是制得优良的阳离子型树脂,这种树脂分子量要足够大,含有一定的水溶性基团,以保证在水中形成稳定的分散体系。只有分子量足够大,中和率低,电泳漆液才能近于中性,从而具有较高的库仑效率和泳透率,使漆膜平整而具有良好的防腐性。因此,树脂的分子量、水溶性基团数和中和率是配方设计的要点。
(2) 交联剂
目前,阴极电泳涂料所用的最为有效的交联手段是封闭的多异氰酸脂或异氰酸脂预聚物。在原有丙烯酸阴极电泳漆的基础上,以异氰酸脂取代原有的高温固化交联剂,采用聚胺脂的固化方式,通过选定催化剂、固化封闭剂的组合实现低温固化,并使电泳漆具良好的稳定性,涂膜表面平滑性和涂膜物性。
参看如下的结构原理图:

综上所述:使低温固化型阴极电泳涂料实用化必须解决以下三个重要的关键技术:
①控制封闭的异氰酸脂的低温离解性
②低温固化和涂膜的表面平滑性
②低温固化性和涂料稳定性
解决好这三个关键问题,是研制低温固化型阴极电泳涂料的前提条件。

5  普通阴极电泳涂料与低温阴极电泳涂料的技术指标:
表中A —PPG普通阴极电泳涂料
B —日本低温ED‡ し Í こKG400

6  经济和社会效益以及推广应用前景
从以上的技术指标我们看出这种低温固化阴极电泳涂料的固化温度大大低于普通阴极电泳涂料,明显地节省能源、降低成本。其次,这种低温固化阴极电泳涂料是基于丙烯酸的基础上加入若干环氧改性而成,因此它同时具备了丙烯酸优良的耐候性和外观装饰性,以及环氧树脂良好的耐蚀性、耐久性和与基底良好的附着性,克服了丙烯酸阴极电泳漆膜层薄的弱点,引进的环氧改性令这种涂料可以进行厚膜涂装,其膜厚可达25- 30μm。这些优势令它可以做为一道装饰性阴极电泳涂料。一道装饰性阴极电泳涂料可以给汽车行业带来一次巨大的革命。
众所周知,汽车涂装一般都要经过三涂层三烘干涂装体系,即:底漆(阴极电泳漆) →中间涂层→面漆。对中级轿车而言,有了这种涂料以后可以改变为二涂层二烘干涂装系统,即:底面合一的低温固化阴极电泳漆→面漆、为汽车行业的涂装节省了一道工序,同时也减少了人力、材料、降低了成本,为国产化汽车走向世界又提供了一个更大的保证。另外,这种涂料的低温固化性也使得汽车某些热容量大的厚板件(如底盘) 得以使用阴极电泳漆涂装,这不仅有益于环保、更为重要的是在当今竞争日益激烈的汽车行业里,质量就是生命、就是保证。为保证质量、满足汽车整体防锈要求,要求其附件也能达到与车身同一水平的防锈质量,也即要求附件应与车身一样采取同样的涂装方式进行涂装,这种涂料为实现这种目的提供了保证。克服了过去由于附件热容量大、不易烘焙透,而普通阴极电泳漆固化温度过高、时间过长而采用耐蚀性等各方面稍逊的溶剂型涂料。低温固化阴极电泳漆不但能节省能源、降低成本、而且还能减少烘烤时间,减少油、灰尘对漆膜的污染,保护了周边环境,它们的出现对汽车行业来说无疑是一大福音。这种一道装饰性低温固化阴极电泳漆除了性能优异用于汽车涂装外,还可以广泛用于其它领域,由于以丙烯酸为基础,故可以得到白色度很高的涂膜,烘烤时不易变黄,电泳时也不因被涂物的金属离子溶出而着色,可调色泛围广,从白色→淡粉色→深黑色均可,这些特点令其能广泛应用于家用电器、钢制家具、办公用具、农业机械等,尤其适合对外观性能和耐久性要求高的工业产品的涂装。第五届国际电泳涂料年会上研讨和公布了九十年代电泳涂料的发展规划,把低温交联型阴极电泳涂料摆在了九十年代阴极电泳发展的首位,可见世界各国对其重视。

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