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水基彈性涂料在丁腈橡膠制品上的應用
來源:本站 發布時間:2016-11-14 17:13:08 閱讀:2715

摘要:丁腈橡膠導管受其條件限制,在運輸、存儲、安裝及使用過程中經常發生彎曲形變,常用的溶劑型防護涂料的延伸率與橡膠導管不匹配,標識丁腈橡膠導管后,無法隨膠管的形變而繼續附著,出現開裂、脫落等弊病。為此開展水基彈性涂料在橡膠導管上的工藝研究,改進涂層與橡膠管的附著力。本文敘述了對與丁腈橡膠導管延伸率相匹配的水基彈性涂料涂覆丁腈橡膠導管的工藝研究過程,并通過對研究結果的分析及在航空領域的實際應用效果,證實了水基彈性涂料滿足丁腈橡膠導管涂覆的工藝要求,優化了丁腈橡膠導管表面清洗工藝,降低了丁腈橡膠制品涂裝過程對橡膠基材的侵蝕性,可以代替溶劑型涂料用于丁腈橡膠導管的保護及標識。

關鍵詞:水基彈性涂料,水性涂料,丁腈橡膠,橡膠制品,漆墨法標識

引言

作為涂裝的底材,與鋼鐵和木材不同,橡膠是高分子化合物,表面能低得多,不利于涂料的附著。而且由于橡膠本身屬彈性體,這就要求涂料漆膜的彈性模量在很大的范圍內具有相應的可匹配性。同時,不同的橡膠制品對溶解度參數不同的溶劑具有一定的溶解性,這對涂料的溶劑體系的選擇及其對涂料附著的影響關系很大。這也是與鋼鐵基材的重要區別之一。此外,大多數橡膠制品的熱變形溫度較低,不宜采用加熱固化的方式完成涂料的交聯固化,這又對涂料的選擇和涂裝工藝提出更高的要求。由此可見,橡膠用的涂料必須適應多樣化的底材并與其表面特性、機械性能、熱膨脹性能及熱變形特征等匹配,同時賦予其相應的保護,裝飾及功能性要求,屬于具有特殊要求的一大類涂料。橡膠制品種類繁多,形狀各異,批量大小差別很大。涂裝方法、表面處理工藝千差萬別,其涂裝工藝近年來進展很快。

在橡膠制品的涂裝工藝中表面處理占有特殊的地位,橡膠的表面能相對較低,又容易帶靜電吸附灰塵,還可能帶有成型加工助劑以及遷移至表面的各類助劑,如脫模劑等。還考慮到為降低表面結晶性的處理,因此,橡膠制品涂裝產生缺陷的可能性更大,更復雜。

在航空制造業中,橡膠導管用于空氣系統的傳輸,通常在其表面涂覆不同顏色的涂料以標識橡膠導管的使用壓力來實現對其進行保護、標識的作用。涂覆工藝通常采用噴涂、刷涂等方式,然而橡膠導管在運輸、存儲、使用過程中存在一定的彎曲形變,而普通的溶劑型聚氨酯[1-4]涂料(如TB06-9聚氨酯底漆、TS70-60聚氨酯磁漆)雖具有良好的綜合性能,但其延伸率較低,不能隨橡膠導管的形變而良好附著,經常出現開裂、脫落等弊病(圖1),起不到保護及標識作用。目前沒有適合于橡膠類制品表面防護、標識的涂料及工藝方法,需尋求一種適合于橡膠材料表面防護及標識的涂料及工藝方法予以解決,涂覆在夾布膠管表面能很好的滿足在該型號上的應用[5-6]。

 


 

圖1 普通聚氨酯磁漆涂覆后脫落

1·國內外研究現狀分析

我國從20世紀80年代開始橡膠工業飛速發展。隨著家電行業、汽車行業等從國外引進生產線,與其配套的涂料及涂裝線和涂裝工藝開始在我國推廣和應用。總體來看,我國橡膠用涂料和涂裝工藝與先進國家差距較大,我國涂料行業和應用部門對橡膠涂料及涂裝的重視程度日益增加。一般常用的橡膠管不需要涂料進行涂裝。但是,一些特殊用途的膠管或橡膠套管為了標識和保護的目的也需要涂料涂裝。例如輸運海水的軟管;日本新干線用的外包套管要求與車輪顏色一致,我國航天制造業中要求丁腈橡膠管表面標識色圈。

2·技術特點

橡膠制品涂裝的目的與金屬、木材等其他底材涂裝的要求相同,目的使該制品達到延長使用壽命、美觀、增加制品附著力。但是與金屬和木材底材涂裝的不同之處在于,橡膠基本上不存在腐蝕問題,同時出現了底材附著力的問題。其次,橡膠由于化學結構,加工方法和組成的多樣性又決定了其表面狀態的多樣性,這就增加了涂裝中表面處理的分量。從涂裝方法的選擇上,由于大多數橡膠的熱變形溫度較金屬和木材低得多,因此對烘烤漆和熱固化涂料的涂裝又有一定的限制。

3·技術難點

3.1 橡膠制品屬高分子化合物,表面能與金屬材質相比要低得多,不利于涂料的附著,需開展有針對性的表面處理工藝研究;

3.2 橡膠制品在使用過程中的形變遠大于金屬,普通涂料的延伸率與橡膠表面不匹配,限制了涂料與橡膠制品的附著;

3.3 大多數橡膠不耐有機溶劑,或者溶解,或者溶脹,給涂料的溶劑體系的選擇和涂裝過程帶來麻煩,同時引發一系列的涂裝缺陷。橡膠表面如果過度溶脹,待溶劑揮發后,必然產生體積收縮和收縮應力,破壞涂層的附著,降低橡膠的使用性能。在清洗溶劑的選擇上必須考慮溶劑對橡膠基材的侵蝕性;

3.4 大多數橡膠的熱變形溫度較金屬低得多,限制了烘烤漆和熱固化涂料的涂裝;

3.5 目前沒有適合于橡膠類制品表面防護、標識的涂料及工藝方法,需尋求一種適合于丁腈橡膠材料表面防護及標識的涂料及涂漆前表面處理工藝方法。

4·研究內容及試驗結果

4.1 研究內容

4.1.1 開展適合丁腈橡膠導管表面涂覆的涂料選型工作。

4.1.2 開展丁腈橡膠導管涂漆前表面處理工藝研究。

4.1.3 組織開展水基彈性涂料的涂覆、干燥工藝及對丁腈橡膠基材的侵蝕性(橡膠的質量變化率及體積變化率)研究。

4.1.4 組織開展對水基彈性涂料、TS70-60聚氨酯磁漆、TB06-9聚氨酯底漆+C04-2磁漆的VOC測試、延伸率測試對比研究。

4.2 組織涂料研制

4.2.1 提出技術要求

丁腈橡膠導管受自身材料性能限制,熱變形溫度較金屬低得多,不能采用烘烤漆和熱固化涂料的涂裝方式,同時,為減小有機溶劑對橡膠基材的侵蝕性,因此在涂料選擇方面需從三方面考慮:①涂料可低溫固化;②涂料中含有少量的有機溶劑;③涂料的延伸率應大于丁腈橡膠導管在使用中的變形量。基于上述原因,提出同時具備可低溫固化、高延伸率的水基涂料技術條件(詳見表1)。

 

 

表1 水基彈性涂料技術條件

4.2.2 水基彈性涂料理化性能測試

組織研制與丁腈橡膠導管相匹配水基彈性涂料,分別對不同3個批次的水基性涂料進行全面理化性能測試及批次穩定性測試,測試結果均符合技術條件要求(詳見表2)。

 


 

表2 水基彈性涂料理化性能測試結果

4.3 涂裝工藝研究

4.3.1 丁腈橡膠管表面處理、涂漆工藝流程圖

 

 

丁腈橡膠管表面處理、涂漆工藝流程圖

4.3.2 丁腈橡膠表面涂裝預處理工藝研究

丁腈橡膠表面存在低表面能、表面光滑、無官能基團、表面弱界面層等特殊的理化性能決定了丁腈橡膠制品進行涂層保護前必須先進行表面預處理。

丁腈橡膠表面處理方法通常選用化學處理法,該方法不受材料表面形貌復雜性的影響,能夠均勻地處理制品暴露在外面的任何部位,通常是甲苯、丁酮、丙酮,環己酮、二氯甲烷和甲醇等,根據材料表面性質和溶劑揮發速度將上述溶劑按一定比例配制成混合溶劑。有機溶劑可以除去材料表面的老化產物和粉塵以及材料本體遷移出的各種有機助劑和單體、低分子產物,并產生溶蝕和溶脹作用,增大材料表面粗糙度,提高丁腈橡膠材料本身的附著性能。

該項目采用涂漆前預處理方法為化學處理方式中的溶劑清洗,清洗前對清洗劑進行選型,選擇材料為常用清洗劑丙酮、丁酮以及對丁腈橡膠侵蝕性影響較低的脂肪烴類溶劑,通過對比丙酮、丁酮、脂肪烴溶劑對丁腈橡膠導管的質量變化率、體積變化率試驗,從而篩選出適合于橡膠導管的清洗劑。

試驗方法:截取長度5cm左右的橡膠導管,稱重,將橡膠導管分別在丙酮、丁酮和浸潤脂肪烴類溶劑內浸泡24h,待溶劑揮發后,再次稱量橡膠導管重量,計算膠管的質量及體積變化率,以考核溶劑對丁腈橡膠的侵蝕性。

由表3可以看出,脂肪烴類清洗劑對丁腈膠管浸泡后的質量變化率和體積變化率近為普通涂料的1/2,采用脂肪烴類溶劑清洗丁腈橡膠導管,大大降低清洗過程對膠管的侵蝕性。

 


 

表3 溶劑浸泡后丁腈橡膠導管的質量及體積變化率

清洗方法:用干凈的擦布或脫脂棉浸潤脂肪烴溶劑,輕輕擦拭丁腈橡膠導管表面,去除表面污染物,待溶劑揮發后可進行涂漆,必要時可采用壓縮空氣吹干。

4.3.3 水基彈性涂料涂覆、固化工藝研究

由于丁腈橡膠類制品的熱變形溫度較低,限制了熱固化涂料的選擇,本試驗目的篩選出最佳固化條件,以便于生產及后續試驗。涂覆方法采用噴涂法,可以避免產生流掛、刷痕等涂裝缺陷,涂覆前對不需涂覆的部位進行保護。

試驗過程:在溫度為10~35℃、相對濕度低于60%環境下,對水基聚氨酯彈性涂料按比例對其進行調配,熟化30min,在橡膠導管涂覆多個長度5cm的色圈,按表4條件固化。

 


 

表4 水基聚氨酯彈性涂料干燥條件

結果表明,水基彈性涂料的調配、熟化、噴涂性良好,在室溫下7d可完全固化,并不影響橡膠使用性能。

4.3.4 涂料對丁腈橡膠導管的侵蝕試驗

丙酮類有機溶劑會對丁腈橡膠導管產生侵蝕,而大多數含有有機溶劑的涂料在涂覆過程中,涂料中的溶劑在揮發的同時也會侵蝕橡膠導管,為驗證水基彈性涂料可降低涂覆涂料對丁腈橡膠導管的侵蝕,開展水基彈性涂料、TB06-9聚氨酯底漆+C04-2磁漆和TS70-60聚氨酯磁漆對丁腈橡膠導管的浸泡侵蝕對比試驗。

試驗方法:在燒杯中盛放水基彈性涂料、TB06-9聚氨酯底漆+C04-2磁漆和TS70-60聚氨酯磁漆的A組分,將橡膠導管放入燒杯中,放置24h后,清洗丁腈橡膠導管,去除表面涂料,計算質量及體積變化率。

由表5可以看出,水基彈性涂料對膠管浸泡后的質量變化率低于普通聚氨酯磁漆1/20,體積變化率低于普通聚氨酯磁漆1/200,大大降低了涂料中的溶劑對丁腈橡膠導管的侵蝕。

 


 

表5 涂料浸泡后丁腈橡膠的質量、體積變化率

4.3.5 有機揮發物對比試驗

按GB18582要求對水基彈性涂料,按GB18581要求對TB06-9聚氨酯底漆+C04-2磁漆和TS70-60聚氨酯磁漆進行VOC測試,測試結果見表6。

 


 

表6 有機揮發物測試結果

水基聚氨酯彈性涂料VOC含量為100g/L,低于普通聚氨酯磁漆1/4,大大降低了有機揮發物的污染。

4.3.6 延伸率試驗結果

分別在10cm長的膠管上涂覆水基彈性涂料、TS70-60聚氨酯磁漆、TB06-9聚氨酯底漆+C04-2醇酸磁漆,待涂料完全干燥后,將橡膠管繞直徑為10mm的圓柱彎曲,膠管兩端接觸,如此正反兩個方向各彎曲10次,檢查橡膠管外表面涂層的附著力。結果對比如下:

由圖2~圖4可以看出,采用水基彈性涂料涂覆橡膠導管后,不開裂、不脫落,附著力明顯優于TS70-60聚氨酯磁漆及TB06-9聚氨酯底漆+C04-2醇酸磁漆。

 

 

5·應用前景

水基彈性涂料代替普通聚氨酯磁漆、醇酸磁漆在丁腈橡膠制品的應用,避免了生產中因反復補修而造成生產周期拖延及原材料浪費,提高了產品質量及丁腈橡膠管使用的可靠性,涂料涂覆后附著力強,可以起到標識作用。不僅一次性徹底解決了長期遺留的生產問題,也為丁腈橡膠等具有柔韌性能的非金屬制品表面的標識涂覆生產提供了強有力的技術保障。

該方法選擇了與丁腈橡膠導管延伸率相匹配的涂料,提高了丁腈橡膠導管表面的涂覆質量,減少了涂料及清洗工藝對丁腈橡膠導管的侵蝕,提高丁腈橡膠導管的使用壽命及涂料涂覆的可靠性,同時,減少有害有機揮發物的排放,對推動實現綠色、環保的涂覆生產具有重大意義。可以推廣應用于同類橡膠制品的表面防護、裝飾及標識生產,不僅適用于航空制造業,而且對國有大、中、小型民用橡膠加工企業橡膠制品的防護、裝飾以及標識生產提供了有力的技術支持,對地方科技發展具有良好的推廣價值。

6·創新

6.1 針對丁腈橡膠導管標識涂層易脫落難題,提出了丁腈橡膠導管標識專用水基涂料技術條件,并聯合研發了該涂料,該涂料具有與丁腈橡膠相匹配的彈性、低揮發性和對丁腈橡膠的低侵蝕性。

6.2 制定了與丁腈橡膠導管標識涂料相匹配的涂裝工藝流程,選擇了低氣味、低溶脹性的表面清洗劑,優化了丁腈橡膠零件涂裝前清洗工藝,有利于減少溶劑清洗對橡膠的侵蝕。

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