无溶剂涂料在工程机械上的应用可行性探讨

王春英,于 萍,张 瑞*,陈吉祥,杨建明

(1. 山东源根石油化工有限公司,山东济宁 272000;2. 山推工程机械股份有限公司,山东济宁 272000）

随着人们环保意识的提高和国家对大气污染治理的加强，源头替代成为涂装行业VOC 治理的首要选择[1]。工程机械行业也将源头替代作为涂装VOC减排的主要途径[2]，进行涂装工艺设备改造、更新，加大了高固含涂料、粉末涂料、水性涂料等低VOC 涂料的推广应用[3-5]。但是，高固含涂料、粉末涂料、水性涂料也都有其缺点。高固含涂料仍然是溶剂型涂料，使用过程仍产生较大量的VOC，粉末涂料因为固化能耗问题在应用范围上存在一定局限性，水性涂料由于其工艺条件要求严格，不满足条件的生产线不能推广应用。

无溶剂涂料是一种环保型涂料，VOC 含量一般低于10%，常见的有环氧涂料、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、储罐等行业得到了较好的应用[7-9]，但在工程机械行业的应用几乎为零。近年来，无溶剂涂料的应用研究逐渐增多，荆夕庆等[10]通过对高固含涂料、水性涂料、无溶剂涂料的生命周期进行分析，认为无溶剂涂料优于高固含涂料和水性涂料；涂料科研院所和涂料企业也加大了对无溶剂涂料的研发[11-12]；工程机械企业技术人员也开始关注无溶剂涂料，齐祥安[13]对普通溶剂型涂料、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、涂层质量、性能和成本、能量消耗、投资费用等方面进行了分析评价，认为天冬聚脲涂料是工程机械涂料的最佳选择，并对天冬聚脲涂料进行了工艺试验。无溶剂涂料和水性涂料、粉末涂料等一样，在工程机械行业应用有一定的优势，但也存在需要改善的地方和需要解决的问题。本文将结合无溶剂涂料的现状及工程机械涂装的特点进行分析和讨论，以期促进无溶剂涂料在工程机械行业的推广应用。

1 工程机械对涂料的要求

工程机械作为一类专用机械设备，功能、工况等有着自身的特点，因此涂装用涂料、涂装工艺设备等也有别于其他机械设备。

工程机械涂装的功能主要有防锈保护和装饰功能。工程机械设备基本都是室外作业，工况多样，而且，很多工程机械设备会跨区域作业，在一年之内可能经历多种不同的环境。因此，工程机械涂装要考虑不同环境下的防锈性能，还要考虑不同环境下的耐候性，使工程机械在寿命期内的褪色、失光维持在一定的范围，保持良好的外观。工程机械零部件在整机上位置的不同，使得涂装涂层功能的重点、性能指标要求也不同。企业一般会根据零部件所在位置，将涂装质量要求分为不同的等级。驾驶室、机罩等重要外观覆盖件对涂层光泽、耐候性等要求高。涂层的性能和施工质量有关，但涂料本身的性能是基础。HG/T 4339—2012《工程机械涂料》规定了工程机械溶剂型防锈底漆和通用底漆的技术指标，以及聚氨酯面漆和其他面漆及涂层体系的技术指标。虽然HG/T 4339—2012 对面漆光泽没有明确要求，但随着工程机械的发展，整机企业对产品主要外观件的面漆光泽都要求85 甚至90 以上。在涂层耐盐雾性和耐老化性要求上，主要工程机械企业的产品涂装除了工作装置、底盘等部件，机架、驾驶室、覆盖件等要求都提高到了1 000 h 以上，有的企业甚至提高到了1 500 h（耐盐雾测试结果要求不起泡、不生锈、不开裂、不剥落，耐老化测试结果要求不起泡、不生锈、不开裂、不剥落、不粉化、变色≤2 级、失光≤2 级）。工程机械对涂装的装饰性要求在各类机械设备中是要求较高的。

对于工程机械溶剂型涂料中VOC 的含量，已经执行国家标准GB 30981—2020《工业防护涂料中有害物质限量》或GB/T 38597—2020《低挥发性有机化合物含量涂料产品技术要求》。

工程机械用涂料除了需要满足工程机械产品涂层的防护、装饰性能，还需要适应工程机械涂装施工的工艺条件，如施工环境温湿度、干燥温度及产能、节拍等。

2 无溶剂涂料在工程机械行业的应用分析

无溶剂涂料在交通设施、电力、石油化工、水务工程等领域都有成功应用，并且涂料和施工工艺也已有国家或行业标准。如HG/T 5177—2017《无溶剂防腐涂料》、GB/T 31361—2015《无溶剂环氧液体涂料的防腐蚀涂装》。但是在工程机械行业的大规模应用还需要探讨和研究。

2.1 无溶剂涂料的环保优势

无溶剂涂料固含量高于90%，GB/T 31361—2015规定无溶剂涂料2 个组分混合后的固含量≥95%，HG/T 5177—2017 要求无溶剂涂料固含量≥98%，有的无溶剂涂料产品的固含量甚至达到100%[14]。因此，从环保角度而言，无溶剂涂料是工程机械涂装中一个很好的选择。

当然，工程机械选择涂料不仅仅是看环保性，还要考虑防腐蚀性、装饰性、工艺性等。HG/T 5177—2017 规定了环氧类和聚氨酯类无溶剂涂料的技术指标。

2.2 涂层性能的优势与劣势

HG/T 5177—2017 中的防腐性指标要求高于HG/T 4339—2012，展现了无溶剂涂料优良的防腐蚀性能。但是，HG/T 5177—2017 中耐老化性能指标低于HG/T 4339—2012，这是由于无溶剂涂料一般不区分底漆、面漆，因此无溶剂涂料在装饰性涂装应用方面受到限制。

HG/T 5177—2017 适用的产品有电力、交通设施、石油化工、建筑工程、海洋工程、市政工程、水务工程等钢结构的防腐蚀保护。显然，HG/T 5177—2017 适用的都是固定设施的防腐蚀保护，而这些固定设施对装饰性要求较低，重点是防腐蚀保护功能要求。工程机械则属于移动类的工程设备，对涂料的防腐蚀保护性能和装饰性要求都较高，因此HG/T 5177—2017 规定的无溶剂防腐涂料不适用于工程机械设备。GB/T 31361—2015则明确指出，无溶剂环氧液体涂料适用于金属材料的涂装，但是不适用于装饰涂层。

王恩清[15]利用端环氧基聚氨酯树脂和端氨基聚氨酯树脂制备的无溶剂环氧聚氨酯涂料具有优异的物理机械性能和耐化学腐蚀性能，固含量为98.2%，可一次性厚涂，干膜厚度可达1 000 μm。但该涂料特别适合于石油储罐、化工设备、桥梁、船舶、海上设施、输油输水管道等重防腐领域。在无溶剂涂料研发的相关文献中，较少有关于光泽和耐老化的参数[15-17]。胡兴兰等[18]报道了无溶剂涂料的光泽和耐老化指标，光泽（60°）达到了80，QUV 耐老化性达到1 000 h，氙灯耐老化性达到1 500 h，但是没有关于失光的评定。

无溶剂涂料涂层的防腐蚀能力一方面与涂料配方有关，一方面与其涂层较厚有关。无溶剂涂料的涂层厚度一般在200 μm 以上，而工程机械行业涂装标准JB/T 5946—2008 要求底漆、面漆的厚度均≥80 μm（满足GB/T 28699—2012附录A 中表A.1和表A.3钢结构在C2~C4 大气腐蚀环境下涂层配套体系要求），但总厚度仍然较GB/T 31361—2015 规定的最低200 μm 低很多。HG/T 5177—2017 规定测试样板的厚度为（250±50）μm，而HG/T 4339—2012 中底漆耐盐雾测试规定的涂层厚度为（45±5）μm，面漆耐盐雾、耐老化测试规定的涂层厚度为145 μm（底漆+中涂+面漆，均取规定厚度的上限），而且现在工程机械涂装已经取消了中涂，在对涂料检测时的实际厚度低于145 μm。

2.3 施工工艺的适应性

无溶剂涂料与现有工程机械使用的水性涂料、高固含涂料相比，在工艺性方面有优点也有缺点。无溶剂涂料具有优异的厚涂性，一次喷涂厚度可达200~500 μm，HG/T 5177—2017 规定无溶剂涂料的流挂性≥350 μm，这是水性涂料、高固含涂料所不能及的。但是，工程机械设备的涂层并不需要那么厚，这就要求无溶剂涂料喷涂的厚度可调整控制，一次性喷涂厚度最好在70~100 μm，底漆+面漆的厚度在140~200 μm。当然，这也要求无溶剂涂料在这个厚度下的各种物理、化学性能达到工程机械涂装的要求。

2.3.1 干燥性

HG/T 4339—2012 对涂料烘干性有要求，HG/T 5177—2017 只有表干和实干的要求，且技术指标低于HG/T 4339—2012 要求。虽然无溶剂涂料固化时间可以调节，固化时间短则适用期也短；适用期加长则固化干燥时间也会加长。HG/T 5177—2017 适用的都是固定工程设施的涂装，一般都是设备安装固定后进行涂装，涂装后自干即可，不需要进行加热烘干，也很难进行大面积加热烘干，因此表干的时间长，且没有烘干的技术要求。但工程机械不一样，都是工厂流程化生产，工件涂装只是工程机械制造中的一道工序，涂层干燥后才能往下一道工序转。涂层的干燥必须控制在一定的时间才能满足大规模、流水线的生产。另外，如果表干时间长，涂层表面被污染的几率增大，影响涂层的外观装饰性能。程原等[17]制成了一种环氧非异氰酸酯聚氨酯无溶剂涂料，耐盐雾性达到4 000 h，而且表干时间仅25 min，实干时间仅120 min，但没有外观及耐老化性能数据。

2.3.2 流平性

无溶剂涂料通常黏度较高，需采用特殊的施工工具和工艺。由于无溶剂涂料固含量高，黏度增大，普通空气喷涂不能正常喷出，需要压力高的新型无气泵。另外，无溶剂涂料反应快，因此适用期短。如果调整延长适用期，则干燥固化时间加长[19]。由于无溶剂涂料固含量高，从喷枪喷嘴喷出到达工件表面的颗粒较大，加上反应固化较快，涂料流平效果差，因此很难得到光泽较高的涂层，这也是无溶剂涂料装饰性相对较差的原因。因此，如果要将无溶剂涂料用于工程机械的装饰性涂装，需要改善其流平性，使表面平整、光滑、均匀、光亮。

3 无溶剂涂料在工程机械行业推广应用的条件

无溶剂涂料在工程机械的推广应用一方面需要工程机械企业用其长避其短，另一方面需要溶剂型涂料生产企业留其长改其短。

3.1 工程机械涂装装饰性能要求的让步

由于客户的需求和市场的竞争，工程机械对涂装外观质量的要求越来越高。现在工程机械主要外观面的面漆光泽都要求85 以上，部分企业要求90 以上。而无溶剂涂料在防腐蚀、厚涂性上优势明显，但在涂层外观、光泽方面却是短板。因此，就目前无溶剂涂料而言，要在工程机械行业大规模应用是不可能的，除非工程机械涂装倡导绿色涂料及工艺，改变高装饰性的要求，即用其长避其短。且需要得到工程机械的用户支持，更需要政府的大力倡导和推动。否则，在激烈的市场竞争下，难有企业愿意降低涂装的质量标准，尤其是颜色、光泽这类客户可直接感观的指标。

3.2 无溶剂涂料装饰性能提高

虽然笔者认为工程机械涂装应以防锈保护为主，重点延长设备的使用寿命。但是从工程机械涂装的发展来看，不仅防腐蚀性在提高，装饰性也在提高，而且提高得更快，有的工程机械企业已经在产品上使用了金属漆。因此，想要无溶剂涂料在工程机械行业得到推广应用，按目前的发展态势来说，必须提高其装饰性，涂层要均匀、平滑、光亮，而且在一定寿命期内，涂层不能明显失光、褪色。在无溶剂涂料产品开发时，需增加光泽以及耐老化性的指标。

3.3 无溶剂涂料工艺性能改善

工程机械用无溶剂涂料的开发应结合工程机械生产及涂装工艺、设备来展开，最好是在不改变现有工艺条件的情况下就可以使用。根据工程机械涂装的工艺特点，无溶剂涂料的开发在工艺性方面需改善薄涂性、流平性和干燥性。

当然，为了使用性能优异的涂料，工程机械的涂装工艺条件也可以进行一定的改变，以适应无溶剂涂料的应用。

3.4 无溶剂涂料具有效率成本优势

目前，由于无溶剂涂料在工程机械行业没有批量应用，因此无溶剂涂料的实际应用效率、成本较现有的高固含溶剂型涂料、粉末涂料、水性涂料等的变化还没有数据支撑。但是，这是无溶剂涂料在工程机械行业应用必须面临的问题。因此，工程机械用无溶剂涂料的研究和应用在满足各项性能的情况下，综合成本不能明显增加，也不能造成涂装生产效率的下降。

4 结 语

无溶剂涂料目前在工程机械行业的应用仍处于工艺试验阶段。由于无溶剂涂料的环保优势，可作为工程机械涂料选择的一个方向。但是，现有无溶剂涂料涂层的装饰性能、耐老化性能、施工的干燥性能等与工程机械涂装要求和工艺条件等还存在一定的差距，需要进一步的研究和试验。工程机械涂装用无溶剂涂料需要根据工程机械涂装功能需要、工艺特点等有针对性地开发。

针对工程机械涂装的特点和要求，无溶剂涂料用作面漆时需要提高光泽，以提高装饰性，同时需要提高耐老化性能，尤其是提高保光保色性能。另外，无溶剂涂料需要改善干燥的工艺性，缩短表干及烘干的时间，满足流程化的连续生产。工程机械企业应结合自己生产供应与设备情况，开展工艺试验和验证，重点是通过工艺参数选择优化提高涂层的平整、均匀性，通过不同干燥条件验证涂层的干燥性，选择既适应生产工艺条件又节能的干燥工艺。

另外，还需要进行无溶剂涂料的涂层性能测试和数据分析。一方面可以确定满足工程机械涂装防护要求的最低涂层厚度，以及实现较薄涂层的施工方法。一方面要确定厚涂对工程机械涂装生产效率、成本的实际影响，以及和现有水性涂料、粉末涂料等的对比结果。如此才能更好地将无溶剂涂料在工程机械行业推广应用。