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浅议水性集装箱涂料开发的技术难点

叶凤英,初广成,陈竟华

据统计,2007年国际集装箱产销量达到392万TEU,其中在中国生产的约为374.6万TEU,约占总量的95.6%,使用的集装箱溶剂型涂料约30万t,由此可产生约15万t二甲苯类有机溶剂排放。随着各种环保法律法规的建立,集装箱涂料环保化成为必然。水性涂料以水为溶剂,可以根据需要调节施工黏度,其以施工方便、容易控制厚度及损耗低等特点而成为集装箱涂料的发展趋势和研究重点。国际集装箱租赁协会(IICL)也召开了专门会议提出了有关集装箱水性涂料开发生产和应用的建议。最近几年来,国内外很多公司在进行集装箱涂料水性化的研究。目前主要的难题是,集装箱的生速度不断提高,最快的生产节拍已经达到每个标准箱3.5min一个,这无疑为集装箱涂料的水性化增加了难度。水性集装箱涂料的开发需要解决防腐性能、生产线施工性能、涂料成本偏高三个技术难题,以及资金、管理等一系列问题。目前,能够完全满足生产线要求的三涂层全水性集装箱涂料的厂家还为数不多,香港维新集团便是其中之一。笔者这几年一直进行水性集装箱涂料的研究,在此主要对技术难题进行探讨,希望能够为正在进行这方面研究的科研人员提供一些帮助。

   

1.集装箱涂料的技术要求

    集装箱的营运需要往复经历从陆地到海洋的全过程,在国际性运输和物流系统中将会发挥越来越重要的作用。要求集装箱涂料要经得起地球上任何一种苛刻的气候条件,要适应任何一种运输方式。集装箱涂料的性能要求为:防腐性能要通过KTA检测;要求涂膜具有良好的耐磨性和柔韧性;具有耐多种环境变化的性能,应有较强的抗粉化性、保色性、保光性;具有良好的施工性能,满足大批量高效率的生产需求;箱内应具备耐磨、耐腐蚀、耐溶剂的特性,还应该取得FDA证书以便于运输食品;按照国际惯例,集装箱制造厂和供应商要向箱主提供保证。保证在5a内集装箱涂膜锈蚀、剥落的面积不大于整个涂膜面积的10%。另外,有的集装箱制造厂家还要求配套涂料的盐雾测试达到1000h。以下是国内目前生产效率最高、节奏最快的生产线对集装箱涂料的具体要求:

(1)生产节奏为每道工序3~6min,施工不受环境影响,要求涂料适应性好;

(2)采用高压无气喷涂,要求涂料进行湿碰湿的施工工艺;

(3)三涂层一道烘烤,烘烤温度60~80℃,约15~40min;要求涂膜干燥好,不能起泡;

(4)烘烤冷却后约0.5~1h进行贴标,要求贴标时不要撕裂涂膜;

(5)烘烤冷却后约1~1.5h进行水密封试验,要求涂膜不能起泡;

(6)箱检时要求涂膜表面平整,无流挂、开裂,无针孔、缩孔等明显涂膜弊病。

可见集装箱涂料对施工性能、涂膜性能要求较高,要求涂料厂家能根据不同的使用环境进行调整。一般涂料厂家会派涂料代表到生产线现场进行24h的服务,以快速解决现场出现的涂料问题,以保证集装箱生产厂家的生产效率。

 

2.水性集装箱涂料的技术难点和应对措施

2.1防腐性能

集装箱涂料的防腐性能主要是由涂料中的树脂决定的。水性集装箱涂料的防腐性能要达到与溶剂型相同的防腐性能,在技术上存在一定的困难,因为水性涂料与溶剂型涂料在成膜机理上的不同导致涂膜性能有所差异。溶剂型环氧树脂涂料成膜机理:环氧树脂和固化剂以分子形式溶解在有机溶剂中,形成的体系是均相的,固化反应在分子之间进行,因而固化反应进行得比较完全,能够形成均相的、致密的涂膜,防腐性能突出。水性环氧树脂涂料成膜机理:大部分水分蒸发后,环氧树脂乳胶粒子相互接触,形成紧密堆积的结构,残余的水分和固化剂分子则处在分散相粒子的间隙;水分进一步蒸发,分散相粒子开始凝结,形成紧密的六边形结构;同时固化剂分子扩散到分散相粒子的界面及其内部发生固化反应,树脂的玻璃化温度逐渐提高,扩散速度变慢,粒子之间很难凝结成膜。固化反应进行的不完全,不能形成均匀致密的涂膜,导致防腐性能与溶剂型有所差异。水性环氧树脂涂料固化是否充分主要取决于以下两个因素:

(1)环氧树脂分散相粒子的粒径。

在相同的情况下,环氧树脂分散相的粒径较小时,粒子表面的固化剂浓度较为适中,表面固化速度较慢,固化剂分子有足够的时间扩散到整个环氧树脂分散相粒子,使之固化完全,因而可以形成均匀、完全固化的涂膜。反之,分散相粒子尺寸较大时,粒子表面的固化剂浓度相对较高,导致表面快速固化,随着固化反应的进行,环氧树脂分散相的表观黏度不断增大,玻璃化温度也会逐渐提高,固化剂分子向环氧树脂粒子内部扩散速度逐渐变慢,环氧树脂粒子内部来不及固化而致使涂膜固化不完全。

(2)固化剂与环氧树脂的相容性。

提高固化剂与环氧树脂的相容性,固化剂越容易向环氧树脂微粒内部扩散,越有利于固化反应的进行,提高体系的稳定性。

最近几年水性环氧树脂产品日益成熟,国内外已经有很多公司如陶氏、氰特、翰森、安邦等都已经开发出粒径为纳米级的水性环氧树脂;同时与之配套的相容性好的水性环氧固化剂产品也走向成熟。这些为研究集装箱用水性涂料提供了基础,通过合理使用这些成熟的产品,使水性环氧防腐涂料与溶剂型的环氧防腐涂料性能已经非常接近,基本可以满足集装箱的防腐要求。

 

2.2施工性能

最近几年由于全世界海运事业的高速发展,使得集装箱的需求快速增长,集装箱产量大幅提高,生产效率也快速提高,生产节奏最快的生产线达到3min的节奏,使水性集装箱涂料在施工上更增加了难度。众所周知,水性涂料在低温高湿等环境下干燥与固化速度非常慢,如何使水性涂料全天候地满足如此快的生产节奏成为制约水性集装箱涂料发展的第二个难题。水性集装箱涂料的研究单位希望能够不断到生产线进行施工性能测试,但集装箱生产厂家由于考虑到生产效率问题,希望研究单位到现场施工测试的次数尽可能少,以免影响到正常生产。因此需要妥善解决这一矛盾,要求研究单位所研究的水性涂料有一个较宽的施工窗口,尽可能地在实验室内充分模拟现场的环境条件、施工条件、干燥条件,以减少箱厂的压力。国内生产节奏最快的某条生产线的工位、生产工艺现状、对水性集装箱涂料的要求见表1。

水性集装箱涂料要在不改变现有溶剂型生产线效率的情况下进行高压无气喷涂施工,三道涂层一道烘烤,要求干燥速度快,涂层附着力好,耐水性能好,无流挂、开裂、针孔等涂膜弊病。上述要求为水性集装箱涂料的施工带来了前所未有的挑战。笔者根据多年水性集装箱涂料的研究经验,提出涂料施工的技术难点及解决办法,如表2所示。

2.3成本难题

虽然水性涂料有环保、节能、施工方便等优点,也是涂料发展的方向,但是由于水性集装箱涂料的成本始终高于相应的溶剂型涂料,在集装箱制造业竞争十分激烈的今天,说服箱厂与箱主拿出更多的资金为环保买单是十分困难的,所以降低成本是水性集装箱涂料规模应用的必由之路。水性集装箱涂料降低成本主要是自主研发水性树脂、防锈颜料、水性助剂,国内在这方面的研究起步较晚,产品性能与国外公司仍有一定差距。主要是由于国内专业的研究机构少、基础弱、技术人员流动快、技术交流少等因素导致这些原料大量依赖国外进口产品,国内缺乏自主创新。水性集装箱涂料成本的降低可以从以下几个方面入手:(1)加强与专业研究机构、企业的联合,自主开发低成本的水性树脂、助剂;(2)稳定一支科研队伍,按照科研程序进行严谨的、科学的、系统的试验;(3)加强技术交流,加强与同行业之间的交流,及时了解国内外信息。

 

3.结语

中国是集装箱制造大国,水性集装箱涂料的研究可以节约能源,减少环境污染,减少对生产线工人的伤害,是涂料发展的必然趋势。水性集装箱涂料的开发需要解决防腐性能、施工性能、成本三个技术难题,是一项长期而且系统的工作,需要加强与研究机构、原料厂家以及企业与企业之间的紧密合作与交流,相信随着更多涂料厂家的加入,必然会推动水性集装箱涂料技术的不断进步,推动集装箱行业的变革。水性集装箱涂料的开发应用可以在工业防腐涂料领域起到示范作用,带动新型水性树脂、助剂、防锈颜料等原料的发展,推动其他行业水性防腐涂料技术的革新,具有广泛的社会效益和经济效益。

 

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