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摘要：針對(duì)汽車剎車片的使用環(huán)境，研究適合剎車片用的粉末涂料，主要研究了成膜體系樹(shù)脂、主要顏填料和助劑的選擇，然后進(jìn)行配方優(yōu)化；

重點(diǎn)研究了不同環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂混合比例對(duì)涂層耐中性鹽霧性能的影響，以及耐熱助劑的添加對(duì)涂層短時(shí)間耐高溫性能提升的作用。

最終研制出耐濕熱、耐中性鹽霧、耐短時(shí)間高熱及散熱效果好的汽車剎車片用粉末涂料。

引言

據(jù)中汽協(xié)預(yù)測(cè)，2016年全年汽車銷量為2604萬(wàn)輛，增速為6%左右，連續(xù)8年蟬聯(lián)全球第一。汽車產(chǎn)量和保有量決定了剎車片的產(chǎn)量，它與剎車片產(chǎn)銷量之間存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

中國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展直接帶動(dòng)了剎車片生產(chǎn)企業(yè)的同步發(fā)展，全國(guó)每年需求剎車片5億套左右。為了保證剎車片金屬外殼的防銹性能達(dá)到要求，一般用油漆或粉末涂料予以涂裝。

油漆的優(yōu)點(diǎn)是涂裝方便，可以采用刷涂或噴涂工藝進(jìn)行施工，缺點(diǎn)是油漆是溶劑型涂料，含有有機(jī)揮發(fā)物對(duì)環(huán)境造成污染和給施工人員的健康帶來(lái)危害，同時(shí)也造成大量溶劑的浪費(fèi)。

使用粉末涂料的優(yōu)點(diǎn)是可以一次涂裝達(dá)到所需要的涂膜厚度，生產(chǎn)效率高，同時(shí)可以避免有機(jī)溶劑帶來(lái)的對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)操作人員健康的危害，相對(duì)環(huán)保。但一般的粉末涂料固化條件為180~200℃/10~15min，并不節(jié)能。

由于剎車片工作時(shí)會(huì)摩擦生熱，短時(shí)間內(nèi)剎車片溫度劇烈上升，因此要求粉末涂料涂層必須有較好的散熱性能和耐濕熱性能。

同時(shí)，由于剎車片使用環(huán)境的要求，對(duì)涂層的耐中性鹽霧性能的要求也比較高。剎車片涂層的耐熱、耐鹽霧性能對(duì)剎車片壽命的影響很大，對(duì)行車安全至關(guān)重要。

綜上所述，研制出適合剎車片用的低溫固化粉末涂料，取代傳統(tǒng)的油漆，降低一般粉末涂料的固化溫度，具有重要的節(jié)能環(huán)保意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 配方原材料

所用原料及基礎(chǔ)配比如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備：混料機(jī)、擠出機(jī)、粉碎機(jī)、靜電噴槍、烘箱、鹽霧試驗(yàn)箱、光澤儀、測(cè)厚儀。

1.3 試驗(yàn)方法

按配方稱量原材料，然后經(jīng)混料機(jī)初步混合均勻，再用雙螺桿擠出機(jī)熔融混合均勻擠出、壓片冷卻、破碎后高速粉碎機(jī)粉碎，過(guò)180目標(biāo)準(zhǔn)篩，獲得粒徑均勻的粉末涂料。

采用靜電噴涂的方法噴涂于底材上，在150℃/20min的條件下固化成膜，然后取出自然冷卻至室溫，之后對(duì)涂層進(jìn)行各項(xiàng)性能的。

2 結(jié)果與討論

由于剎車片工作時(shí)會(huì)摩擦生熱，雨天環(huán)境下剎車片所處環(huán)境相對(duì)濕度高，因此要求剎車片金屬部件的涂層必須有較好的散熱、耐熱、耐濕熱性能和耐鹽霧性能。

砂紋效果的涂層相較于平滑效果涂層，其表面與空氣接觸的空間更大，具有更大的比表面積，在剎車片工作產(chǎn)生摩擦熱量時(shí)，更有利于散發(fā)這些熱量，剎車片涂層承受的熱氧化壓力相對(duì)較輕。

同時(shí)砂紋效果涂層疏水性更好，同等條件下，其耐濕熱和耐中性鹽霧效果及耐腐蝕性能更優(yōu)。因此，剎車片用粉末涂料選用砂紋效果外觀的涂層。同時(shí)添加一定比例的耐熱助劑，提高涂層的耐熱性能。

2.1 樹(shù)脂的選擇

2.1.1 聚酯樹(shù)脂/環(huán)氧樹(shù)脂比例的選擇

由于環(huán)氧/聚酯混合體系容易形成砂紋效果的涂層，所以選用環(huán)氧/聚酯混合體系來(lái)作為剎車片用粉末涂料的成膜體系更符合實(shí)際的應(yīng)用需求。

聚酯一般由多元羧酸、酸酐與多元醇通過(guò)縮合聚合反應(yīng)制得，多為無(wú)色或淡黃色透明晶體，其軟化點(diǎn)根據(jù)縮合聚合的單體之間的比例和聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量大小而異。

通常其軟化點(diǎn)分布在95~115℃，酸值分布范圍在30~80mgKOH/g之間，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）在48~53℃之間。這類樹(shù)脂能夠與環(huán)氧樹(shù)脂組成混合反應(yīng)體系作為粉末涂料的成膜物。

根據(jù)聚酯樹(shù)脂的不同酸值，其與環(huán)氧混合的比例常見(jiàn)的有50/50、60/40、70/30。本實(shí)驗(yàn)對(duì)這3種比例的聚酯/環(huán)氧混合體系均做了實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了各項(xiàng)性能對(duì)比，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

一般來(lái)說(shuō)，由于環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)的原因，其耐中性鹽霧腐蝕性能比聚酯樹(shù)脂好。由表3可知，聚酯/環(huán)氧混合比例為50/50的聚酯樹(shù)脂1#的耐鹽霧性能比聚酯/環(huán)氧混合比例為60/40的聚酯2#及聚酯/環(huán)氧混合比例為70/30的聚酯3#優(yōu)。

這可能是由于聚酯/環(huán)氧50/50 混合體系較聚酯/環(huán)氧60/40混合體系及聚酯/環(huán)氧70/30混合體系，其環(huán)氧樹(shù)脂占的比重相對(duì)較高有關(guān)。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，本實(shí)驗(yàn)最終確定的聚酯/環(huán)氧的混合比例為50/50。

2.1.2 環(huán)氧樹(shù)脂的選擇

以聚酯/環(huán)氧混合體系為成膜物涂層中，涂層的耐中性鹽霧性能的優(yōu)劣主要取決于配方中的環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)劣及環(huán)氧樹(shù)脂的占比，因此環(huán)氧樹(shù)脂的篩選是最關(guān)鍵的因素。按結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，環(huán)氧樹(shù)脂可分為雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、線型酚醛環(huán)氧樹(shù)脂、鄰甲酚醛環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚F型環(huán)氧樹(shù)脂、雙酚S型環(huán)氧樹(shù)脂、氫化雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅改性環(huán)氧樹(shù)脂七類；

按生產(chǎn)工藝來(lái)劃分，環(huán)氧樹(shù)脂可分為一步法和二步法環(huán)氧樹(shù)脂。常用于制備粉末涂料的環(huán)氧樹(shù)脂主要是雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂和線性酚醛環(huán)氧樹(shù)脂。

對(duì)于聚合物來(lái)說(shuō)往往是結(jié)構(gòu)決定性能。雙酚A型(BPA)環(huán)氧樹(shù)脂其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主鏈上的醚鍵決定了其具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂與端羧基聚酯交聯(lián)固化反應(yīng)性則由其環(huán)氧基端基決定。

酚醛環(huán)氧樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)中既含有雙酚A酚醛的結(jié)構(gòu)成分，又有苯酚酚醛成分，存在多個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，具有交聯(lián)密度高、涂層硬度高、耐磨性好等特點(diǎn)。但其酚醛結(jié)構(gòu)的引入使得涂層耐黃變性能變差，因此當(dāng)其用于粉末涂料時(shí)需要考慮涂層的耐黃變因素。

本實(shí)驗(yàn)選用雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行研究，針對(duì)一步法和二步法生產(chǎn)工藝的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂、不同環(huán)氧當(dāng)量的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂分別按50/50與混合型聚酯樹(shù)脂為主成膜物輔以必要助劑制得涂層，并對(duì)涂層進(jìn)行各項(xiàng)性能分析檢驗(yàn)，其結(jié)果如表4所示。

由表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,同等條件下選用生產(chǎn)工藝為二步法的雙酚A 型環(huán)氧樹(shù)脂制得的涂層，其耐黃變性能優(yōu)于選用一步法生產(chǎn)工藝的雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂所制涂層。同等條件下雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧當(dāng)量越高，其耐黃變性能越好。

2.2 填料的選擇

由于剎車片的使用環(huán)境要求涂層需要滿足有較好的散熱性及耐短時(shí)間高溫性能。因此，剎車片用粉末涂料配方中的填料成分必須要考慮到其耐候性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性的因素。

實(shí)驗(yàn)分別考察了云母粉、硫酸鋇、碳酸鈣、石英粉4種填料對(duì)涂層性能的影響，結(jié)果如表5所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，同等條件下，填料選用石英粉的涂層硬度最高，但是硬度過(guò)高影響了涂層的沖擊性能。短時(shí)間高溫的熱穩(wěn)定性選用云母粉的涂層效果較好，在短時(shí)間高溫環(huán)境下涂層沒(méi)有因?yàn)闊崦浝淇s導(dǎo)致與底材之間的附著力發(fā)生衰減。

2.3 耐高溫助劑的選擇

剎車片工作過(guò)程中主要受到摩擦熱的影響，摩擦熱傳導(dǎo)剎車片涂層，影響涂層的使用壽命，從而影響剎車片的使用壽命和安全。

有機(jī)硅聚合物、有機(jī)氟聚合物、聚芳砜類、聚對(duì)苯撐和其雜環(huán)聚合物（包括聚亞酰胺和聚苯并咪唑）這些都是具有代表意義的耐高溫材料。

這些耐高溫材料做為粉末涂料的耐高溫助劑提高涂層的耐熱性能使用時(shí)，需要充分考慮其與粉末涂料配方中各組分之間的相容性、潤(rùn)濕因素。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，在一定的添加比例下，有機(jī)硅聚合物和有機(jī)氟聚合物與粉末涂料配方中的各組分之間的相容性較好。故選此作為下一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證添加劑。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看有機(jī)硅聚合物和有機(jī)氟聚合復(fù)配添加使用對(duì)涂層的耐熱后的鹽霧性能提高更明顯。

2.4 產(chǎn)品性能檢測(cè)結(jié)果通過(guò)對(duì)成膜體系主體樹(shù)脂的研究，顏填料的篩選和助劑的研究等配方優(yōu)化，最終所制得的剎車片用低溫固化粉末涂料其性能檢測(cè)結(jié)果如表7所示，各項(xiàng)主要關(guān)鍵性能滿足檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

由于剎車片工作時(shí)會(huì)摩擦生熱，短時(shí)間內(nèi)剎車片溫度劇烈上升，因此要求涂層必須有較好的散熱性能、耐熱、耐濕熱性能，同時(shí)剎車片的使用環(huán)境要求涂層的耐中性鹽霧性能要求也比較高。

剎車片涂層的耐熱、耐鹽霧性能對(duì)剎車片的壽命影響很大，對(duì)行車安全至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：采用50/50 的混合型聚酯樹(shù)脂與二步法環(huán)氧樹(shù)脂作為主要的成膜體系。

以耐熱較好的云母粉、硫酸鋇為填料，輔以耐高溫助劑及砂紋劑等助劑，制得滿足剎車片使用條件的低溫固化粉末涂料，所得涂料具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。