钢桶专用环保水性涂料的研制

文/刘胜波

【编者按】在中国包装联合会“2017年科学技术奖”评审会上，湖北佳记合成材料股份有限公司的项目《钢桶专用环保水性涂料的研制》荣获了三等奖，这也是2017年获得中包联科学技术奖钢桶行业相关的唯一奖项。

一、了解钢桶行业的需求，确立研制项目

自1966年美国加州颁布实施第一个限制挥发性有机化合物（VOC）法令以来，各国对严格控制VOC排放量、限制高VOC涂料产品的生产和使用，现已提升到法律法规的高度，水性涂料因其VOC极低且节省能源而成为现代涂料工业发展的主流方向。水性涂料的主要类型：水性聚酯、水性丙烯酸、水性聚氨酯涂料。水性涂料是当前发展迅速的环保型涂料，但在亚洲使用比例极低，仅为3%（欧洲为42%），在涂料水性化领域我国与发达国家的差距还很大。究其以往水性发展缓慢原因主要为两大方面：首先，水性涂料性能无法达到溶剂型产品；第二，水性涂料在生产和使用中投资较高，如需要烘干室、强冷设备、生产场地温湿度控制调节设备等。

氨基聚酯涂料由其优异的柔韧性及高加工性等多方面的优势，一直以来在汽车涂料、工业涂料、卷材印铁涂料等领域占据较大份额，水性聚酯不仅继承了油性聚酯的优势，甚至在某些性能超越溶剂型产品。而近年来，原油价格出现了大幅度上涨，导致各地溶剂型涂料的价格不断提高，有的甚至比水性涂料的价格还高，这种情况从侧面也推动了水性涂料的发展，使有些地方的水性涂料出现了令人振奋的旺销局面，这是水性涂料发展的一个难得的机遇。

近几年来汽车涂料的水性化程度迅猛提高，尤其是在汽车原厂漆，如奥迪、奔驰、本田、丰田、日产、现代等等知名品牌都有专业的水性汽车涂装线。主要集中在汽车底漆、中涂、底色漆逐步向水性漆转变，由于种种原因罩光清漆还是溶剂型为主导。汽车漆向水性化的转型，不仅能到达环保限制的排放指标、符合低碳理念、降低VOC 排放等目的，更是对涂料界产品走水性化道路的一种肯定与促进作用。

水性饱和聚酯树脂由其优异的各项性能决定在汽车涂料中可充分应用于汽车中涂，金属底色漆，面漆等多道涂层之中。

在钢桶制造企业，目前广泛使用溶剂型氨基漆，普遍采用高温烘烤工艺。在涂料类别与固化方式上和汽车涂料一致，只是在具体指标上存在差异。所以我们选择采用水溶性聚酯树脂配合水溶性氨基树脂制造水性钢桶涂料。这样做主要是考虑了以下五点：

1、采用聚酯氨基体系，涂膜质量有保障，能满足钢桶防腐和装饰性能需要；

2、采用聚酯氨基体系，桶厂基本不需要新增设备，不需要额外增加投入；

3、喷涂工艺不改变，喷漆工容易掌握，质量好控制；

4、运行成本与使用油性漆时相当；

5、涂料综合成本与使用油性漆时基本相当，钢桶企业可以接受。

二、研究钢桶行业的特点，确定研制的方向

1、钢桶行业的应用要解决的问题

实际上我国水性钢桶涂料的研究、应用进行的比较早。从2008年起，国内就有涂料企业进行了将水性氨基涂料应用于钢桶行业的尝试，并取得了一定效果。经过几年的应用和调整，水性钢桶涂料质量不断提高，当前水性涂料在漆膜性能上与溶剂型涂料已不相上下，有些指标水性涂料甚至更优。

但是钢桶涂装工艺的特殊性让很多水性涂料制造厂家在现场应用中败下阵来。

纵观水性钢桶涂料的发展历程，可以清晰的发现水性钢桶涂料存在的亟待解决的问题：

1）水性钢桶涂料的施工性（水性套色）

2）水性钢桶涂料的VOC含量

3）水性钢桶涂料的保质期

我们的科技创新工作就是围绕上述三个问题展开进行。

2、重点研究方向的确立

具体来讲，我们水性钢桶涂料的研发分为两个部分：

1)水性聚酯树脂的合成；

在水性聚酯树脂合成的设计中，我们在保证树脂的物理性能和化学性能以外,重点提高水性聚酯树脂的储存稳定性。经实践应用，我公司的水性钢桶涂料可确保12个月的保质期，而其他厂家水性钢桶涂料的保质期，最长为6个月，短的只有3个月。

2)水性钢桶涂料（套色）的研制。

在水性漆套色制桶工艺中，主要有两个方面的问题需要解决：

a. 湿碰湿的施工工艺，容易在分色切边处产生两种颜色渗色和漆雾互相污染；

b. 水性漆容易流挂:对于渗色和飞溅，我们通过添加自制助剂，在两层湿膜中形成微观不相容状态，有效解决了这个问题。对于流挂，我们调整水性聚酯树脂中体型结构和线性结构种类、比例等，再辅以高效的抗流挂助剂，很好地解决了这个难题。

3、研制中产生的六项专利

在整个研发过程中，我们一方面注重客观实际，力求产品尽善尽美，同时不忘知识产权的保护，期间我们一共申报并经授权实用专利6项，分别是：

1）一种水性树脂合成冷凝器；

2）一种方便清理及可调温的卧式砂磨机；

3）一种立式砂磨机；

4）一种调漆装置；

5）一种高速分散机；

6）一种水性树脂的保温存储装置。

三、科技创新的重点问题突破

我们的科技创新工作就是围绕前述的三个重点问题进行突破的。

1、水性钢桶涂料的VOC含量

国家提倡环保，积极推广水性漆，就是要降低涂料产品中的VOC。但是目前很多厂家的水性钢桶涂料的VOC在200克/L以上，尽管个别的厂家可以做到150克/L，但是这样的VOC含量仍然较高，而且也不符合《HJ2537-2014环境标志产品技术要求水性涂料》中VOC不得大于80克/L的要求。

究其原因，主要是因为众多厂家是外购或自己合成的水溶性聚酯树脂，由于水溶性聚酯树脂中含有大约30%的有机溶剂，导致生产的水性钢桶涂料VOC含量较高。

我们通过特殊工艺自己合成聚酯水溶体，此水溶体中有机溶剂含量小于5%，这样生产的水性钢桶涂料的VOC容易做到80克/L以下。实际检测中我们水性钢桶涂料的VOC基本在40克/L左右。

2、水性钢桶涂料的施工性（水性套色）

经过几年的研究应用，水性单色钢桶涂料应用于单色桶涂装已基本成熟。无论是涂膜性能，还是施工性，已经能够满足钢桶质量要求。然而水性套色涂料，目前试制成功的寥寥无几，连续正常应用超过一年的水性钢桶套色涂料目前只有一家涂料企业。究其原因主要有：

1）套色桶的桶身有多个颜色，由于桶厂涂装工艺是湿碰湿施工，而且间隔时间短（约20秒左右），不同颜色的水性漆容易相互渗透，结果导致颜色不均匀，生产出的钢桶不合格；

2、套色桶中大多有黄色和白色，由于这两种颜色的涂料遮盖力差，所以这两种颜色的涂料在涂装时，湿膜厚度厚，大约是其他颜色的3倍左右，同时这两种颜色的涂料比重大。这样在较高的湿膜厚度，再加上比重大，这两种颜色的水性漆极易产生流挂现象。

对于渗色，我们通过添加自制助剂，在两层湿膜中形成微观不相容状态，有效解决了这个问题。对于流挂，我们调整水性聚酯树脂中体型结构和线性结构种类、比例等，再辅以高效的抗流挂助剂，很好地解决了这个难题。

3、水性钢桶涂料的保质期

水性涂料的保质期除了颜料、助剂和配方等因素外，主要和树脂在水中的稳定性有关。水性钢桶涂料普遍采用水性聚酯树脂，而水性聚酯树脂有一个很大的问题需要解决，就是稳定性的问题。具体来说，就是酯键在水中容易水解，特别是在碱性环境中。然而水性涂料基本都呈碱性，酯键水解后，树脂分子量变小，严重影响涂膜的光泽、附着力和耐腐蚀性能。

我们通过分子设计，经过多次试验调整，最终使聚酯分子在水中呈螺旋状，酯键在内，让疏水的部分在外，由此有效屏蔽水对酯键的破坏，起到了延长保质期的作用。经实践应用，我公司的水性钢桶涂料可确保一年的保质期，而其他厂家水性钢桶涂料的保质期，最长为6个月，有的甚至只有3个月。

四、应用成本和价格问题

在解决了性能和水性套色等问题后，制桶企业是否能实现“油转水”，还有桶厂的设备投资和生产成本需要考虑。

由于水性钢桶涂料和溶剂型涂料一样是液体状态，施工时粘度相差不大，这样制桶企业在设备上几乎不用再投资。

在成本方面，目前水性工业涂料的成本和单价高于溶剂型涂料。然而由于水性漆施工时是以水作为稀释剂，水的成本远远低于溶剂成本，再加上水性涂料的遮盖力好，也就是水性涂料的涂装面积大，这样综合计算下来，使用水性钢桶涂料综合成本与溶剂型涂料相当。而且相信随着水性工业涂料产量的增加，相应的树脂、助剂等的价格也会逐步降低，水性漆的成本也会逐渐下降，制桶企业在涂料方面的成本也会随之降低。

解决了质量、施工性和成本等方面的问题后，我们开始大力进行市场推广，在一年的时间内，使用我公司水性钢桶涂料的企业超过了30多家，其中不乏一些知名制桶企业，如天津大田、兰州兴业、自贡中粮、成都沣足、大连慧能达、大东工贸等。目前我公司的水性钢桶涂料月出货量在100吨以上，大约占据桶漆市场的十分之一。

综上所述，湖北佳记合成材料股份有限公司有效地解决了目前水性漆在钢桶行业应用的诸多难题，尤其是解决了水性漆的套色难题，产品在多家桶厂已成功连续应用多年，取得了较好的社会效益和经济效益。