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水性集裝箱塗料現狀與展望

自2017年4月1日開始,國內標準幹貨集裝箱生產廠家的塗裝生產線,由溶劑型塗料體係變更為水性塗料體係,從而開啟了水性集裝箱塗料大規模使用的元年。據不完全統計,2017年全年生產使用水性塗料的標準箱共計超過280萬TEU,使用水性集裝箱塗料約20萬t,從而減少VOC排放約10萬t。水性集裝箱塗料的大規模推廣,使整個工業塗料市場發生非常大的變化,水性化、高固含等環保塗料的應用得到了較大發展,帶動工程機械、交通設備等行業向環保塗裝大步邁進。 本文主要從水性集裝箱塗料目前的技術路線、相關性能標準及施工應用等方麵進行介紹。 1水性集裝箱塗料配套及目前技術路線 水性集裝箱塗料體係主要有含富鋅底漆與不含富鋅底漆2種塗料配套。由於不含富鋅底漆的配套是威士伯主推的聚偏二氯乙烯(PVDC)底漆/丙烯酸麵漆體係,主要應用在東莞馬士基工廠,而在其他客戶工廠或箱東處應用都比較少。因此本文主要介紹含富鋅底漆的三塗層配套體係,詳見圖1。 圖1三塗層水性集裝箱塗料配套體係 從圖1可以看出,水性集裝箱塗料配套體係主要包括水性環氧富鋅塗料、水性內麵漆、水性中間漆、水性丙烯酸麵漆4個品種。 1.1水性環氧富鋅塗料 由於鋅粉的存在,水性環氧富鋅塗料可有效地對箱體進行陰極保護,延緩箱體腐蝕進度,防止因磕碰引起的漆膜脫落,因此該體係得到了箱東的一致認可。 水性環氧富鋅塗料,主要成分包括環氧樹脂、固化劑、鋅粉及各種助劑,活潑金屬鋅粉可與水發生化學反應,因此在有鋅粉存在的組分中,不可以含有水分,而環氧塗料中的環氧樹脂和固化劑也不可以在一個組分中,因此設計配方時有2種思路。 (1)鋅粉與環氧樹脂在一個組分中,這種配方設計思路較接近於溶劑型環氧富鋅塗料,主要的差異是其中的溶劑為可溶於水的醇醚類溶劑,環氧樹脂也為可溶於水的樹脂(乳液)。該體係因醇醚溶劑極性非常高,再加上鋅粉密度非常大,防沉降和防流掛成為配方設計的核心因素。一般都會用多種類型的防沉助劑進行複配,如同時使用膨潤土、氣相二氧化矽、聚脲類等。而該體係的固化劑一般為含水的胺類固化劑,為保證防腐性能,其在水中的溶解性大小為重點考慮因素。 (2)鋅粉與胺類固化劑在一個組分中,這種配方設計思路較溶劑型塗料的差異較大,因所用的胺類固化劑一般較少,因此鋅粉可否被樹脂充分包覆、如何降低後續施工時水與鋅粉的反應速率成為配方的設計重點。該配方設計的優點為配方的VOC整體含量相對較低,如,可低於250g/L。 因水性環氧富鋅塗料是給箱體提供防腐的主要塗層,因此該產品的防腐性能、機械性能為配方設計要點,同時要重點兼顧施工性能。 1.2水性內麵漆 目前水性內麵漆主要的配方體係有:水性環氧內麵漆、水性丙烯酸環氧內麵漆2種。 (1)水性環氧內麵漆。該體係是原溶劑型體係內麵漆水性化的方案,主要組分為水性環氧乳液、水性環氧固化劑、防鏽填料、顏料、功能填料等組成。目前考慮到體係的穩定性,一般采用自乳化的環氧乳液,其對使用溫度、攪拌力度等相對不敏感,但目前看來國內企業生產的樹脂大部分有一定提升空間,一定提升空間,譬如國內公司大多直接采購乳化劑,而非自主研發,這樣就受限於乳化劑品種、性能等,其合成的環氧乳液往往在穩定性方麵有所欠缺,譬如高溫、高剪切力等條件下易破乳,亦或者穩定性優良情況下,因大量乳化劑的使用,環氧漆膜耐腐蝕、耐水性等較差;水性固化劑方麵,目前各家塗料供應商差別非常大,但從防腐角度考慮,水溶性非常優異、反應活性較低的固化劑不適合用於水性集裝箱塗料內麵漆。因親水基團的引入,在同等條件下水性塗料防腐性能沒有溶劑型的好,因此需要防鏽填料進行補強,但防鏽填料的選擇需要重點考慮該填料在水相中的電離度、pH等參數。 (2)水性丙烯酸環氧內麵漆。該體係一般選用特種丙烯酸樹脂作為主體樹脂,再引入液體環氧進行雜化。除此以外,為保證體係的防腐性能,防鏽填料的補強作用需要特別重點考慮。另外,體係的初期耐水性也需要特殊技術進行加強。該配方體係的優勢為成本相對較低,但考慮防腐的因素,目前占市場80%以上份額的主流塗料供應商,沒有選擇該體係。 1.3水性中間漆 水性中間漆主要的配方體係有:水性環氧中間漆、水性丙烯環氧中間漆、水性丙烯酸中間漆3種。 水性環氧中間漆、水性丙烯酸環氧中間漆配方設計思路與水性內麵漆類似。 水性丙烯酸中間漆的主體樹脂為高相對分子質量的丙烯酸乳液,眾所周知,丙烯酸乳液在防腐塗料中一般用於麵漆,其本身的防腐性能較環氧乳液差距較大,為達到或等同於可交聯的環氧乳液的防腐等級,丙烯酸中間漆的*重要的設計要點為提高防腐性能,防腐填料、防腐助劑等用量相對都較高。但因丙烯酸乳液與環氧乳液成本差異巨大,該配方體係的成本優勢明顯,但隨著國產環氧乳液性能的提升,成本優勢有降低的趨勢。 1.4丙烯酸麵漆 水性丙烯酸麵漆因丙烯酸乳液單體的不同,主要分為純丙乳液、矽丙乳液和苯丙乳液。 水性丙烯酸麵漆主要是賦予漆膜優良的外觀、較高的耐候性及耐水性等性能。從上述3種乳液單體看,矽丙乳液的耐候性、耐水性及耐沾汙性都優於其他2種乳液,但因矽烷等引入,成本較高;相對而言,純丙乳液的性能和成本較均衡,目前應用*多;苯丙乳液耐候性稍差,但成本優勢明顯。 丙烯酸麵漆除乳液組分外,顏料也是重要的組分之一。從環保角度看,目前使用的顏料都為無重金屬的產品,但部分顏料穩定存在對pH有一定的要求,因此配方設計時需對各個顏料pH需求進行確認並處理。 丙烯酸麵漆的初期耐水性為目前箱廠重點考慮的性能之一,在配方設計階段,成膜助劑的選擇、功能填料的使用等為重點考慮因素。 2性能要求及相關標準 從集裝箱塗料性能方麵看,主要分長期漆膜性能和施工後驗收規範2個方麵。 2.1長期漆膜性能 長期漆膜性能主要包括防腐性能、機械性能、耐候性3個方麵。比較權威的測試標準為KTA實驗室進行的IICL測試,該測試為集裝箱的*終客戶(箱東)重點關注的測試方法,同時為塗料供應商大批量進入集裝箱行業的*基本的要求。另外中國集裝箱協會(CCIA)組織製定的JH/TE08—2015《集裝箱用水性塗料塗膜檢驗方法和驗收標準》中對漆膜長期性能的要求主要參考借鑒IICL測試方法。 因內外配套體係不同,測試流程方法也有差異,具體流程如圖2所示。 圖2 集裝箱塗裝體係的IICL測試步驟 外部配套體係樣板需要借助紫外老化儀及鹽霧箱進行測試,內部配套體係樣板僅需要鹽霧箱進行測試,每一個測試周期為7d,共需要8個測試周期,完成一個配套體係測試至少需要56d。 完成測試後,需要對樣板進行機械性能、耐腐蝕性、耐候性測試,並對每一項測試評分,設置小項*低分要求,然後根據相應的權重進行*終評分,*終評分也設置*低分數要求。具體如表1所示。 2.2漆膜驗收標準及初期耐水性等要求規範 漆膜驗收時主要對漆膜流掛狀態、針孔/暗泡狀態、顏色外觀、露底情況等進行考察。集裝箱協會組織編寫的JH/TE08—2015對膜厚、附著力、外觀等要求都進行了具體規範,為行業重點參考標準,另外部分箱東也有各自公司的具體驗收標準,分別進行了內部控製指標的設置。本文僅介紹實際應用中遇到的重點項目。 2.2.1針孔/暗泡 因為乳化劑等表麵活性劑的影響,水性塗料更容易產生氣泡,成膜後的表現即為針孔、暗泡;當針孔、暗泡嚴重到一定程度後,呈現蜂窩狀,將嚴重影響塗層的防腐性能,特別是穿透性針孔極易產生點鏽;為控製針孔、暗泡的產生,主要的處理方式包括提高塗料的破泡能力、提高塗料氣泡的逸出能力、提高塗料霧化性能、提高塗料基材潤濕性能等,但這些方式主要是依靠添加助劑來實現,從而使塗料的成本有較大提高。 2.2.2初期耐水性 主要包括箱外初期耐水性和箱內潑水實驗2個方麵。其中箱外初期耐水性主要針對集裝箱下線後天氣持續下雨的情況,對漆膜的幹燥性、初期交聯密度、漆膜水溶性物質含量等提出較高要求;箱內潑水實驗,考察的是箱內是否有露底情況、是否有穿透性針孔及漆膜初期幹燥性能。 表1 IICL測試方法及評價標準 3施工工藝介紹 “三分塗料,七分施工”,沒有良好施工性的水性塗料,即使防腐性能非常優異也不會被市場所接收,對水性集裝箱塗料來說,尤為如此。 溶劑型集裝箱塗料轉為水性集裝箱塗料,*大的變化為:三噴一烘變為三噴三烘,同時由於水性塗料對施工的溫度、濕度、風速等要求都較高,因此整體噴塗線的布局變化較大。典型的塗裝線布局(有時可根據實際情況調整塗裝工位順序)是:車間打砂、底漆塗裝和烘烤→(成型、部裝、總裝)→(二次打砂、除油)→預熱和預塗底漆→水性環氧富鋅底漆塗裝→底漆流平→底漆烘房→冷卻→中間漆和內麵漆塗裝→流平→中間漆烘房→冷卻→麵漆塗裝→冷卻→線上修補→麵漆烘房→冷卻→(木地板鋪放和完工工位)→底架漆塗裝→流平→底架漆烘幹→冷卻→完工檢查。 各個工位容易遇到的問題如下。 3.1預熱和冷卻工位 主要是為了在噴塗前保證箱體溫度不可以太高或太低,如超過40℃噴塗,極易發生粗糙等問題,如低於15℃,又極易發生流掛等問題。 3.2流平工位 可以使塗裝後的濕膜部分水分揮發,避免直接進入烘房高溫加熱。因此為保證部分水分的揮發,該工位需要保證一定的風速和溫度,風速和溫度過低或過高都極易產生氣泡、針孔、流掛等漆病。 3.3烘房工位 烘房溫度*好為梯度升高模式,*優的方式為設置低、高溫烘房,避免剛施工完水性塗料直接進入高溫烘房,出現漆膜被烤焦、內部產生蜂窩狀針孔等漆病;同時建議烘房中出風口平行於箱體側表麵,避免直吹側板引起局部過熱和過快的幹燥。 3.4塗裝工位 因水性塗料霧化沒有溶劑型塗料好,因此需要選擇小口徑槍嘴,噴塗壓力需要適當提高,同時噴塗槍距控製在35cm以上,否則漆膜極易產生針孔、暗泡等漆病,從而對防腐產生負麵影響。 4目前水性集裝箱塗料存在的主要問題 4.1原材料供應的問題 樹脂、助劑等高附加值的原材料主要是由國外大公司供應,這是因為國際大公司在水性塗料技術方麵有幾十年的技術積累,都有一定應用經驗,但這也給國內各個技術型企業提供了一個“天高任鳥飛”的市場環境。 4.2能耗高的問題 與原溶劑型體係的三噴一烘及快幹稀釋劑使用相比,水性體係隻能通過外部加熱耗能的方式調節溫濕度。但隨著國家清潔能源的進一步推廣,低VOC排放的水性塗料應用前景更加廣闊。 4.3水處理的問題 因為水性塗料含有一定量的水溶性物質,因此水性噴塗工藝的廢水比溶劑型工藝的廢水更難處理。但相對來說,集裝箱塗料塗裝集中度非常高,可以對汙水進行集中處理。 4.4漆病的控製問題 因水性塗料對溫度、濕度、槍嘴磨損程度等都比較敏感,隨著氣溫的變化若沒有及時調整調漆工序,極易發生粗糙和流掛現象。但目前來看,主流的水性集裝箱塗料供應商都摸索出了一套現場控製的手段,可對相關問題進行預測,防止發生批量問題,造成較大損失。 5結語 目前水性集裝箱塗料的大規模使用,為工業塗料水性化大規模應用開了先河,隨著塗料研發工程師技術知識的逐漸積累、原材料技術性能的拓展、塗裝工藝的進一步完善,水性工業塗料將進一步走向成熟,從而為塗料行業綠色化做出巨大貢獻。
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