水性色漆清洗溶剂的改进与优化设计

刁 娜

0 水性色漆清洗溶剂的改进目的及背景

一汽大众成都厂在2013年7月更换旋杯雾化器，并发现雾化器中有很多黑色、红色及蓝色等彩色漆渣，该漆渣在喷涂过程中导致车身出现脏点。这些漆渣是清洗困难的色漆，其残留物长时间在雾化器中聚集结块后所形成的。

一汽大众成都厂每月生产车台数为50000 台，每个雾化器所喷涂的色漆量为20000 kg，其中黑色漆用量最大，清洗不净使得车身出现大量黑色漆点。

本研究目的是加强色漆清洗溶剂对不同厂家蓝色、红色、黑色色漆的清洗能力，包括对雾化器、旋杯、加料及冲洗管路中的结块漆的清洗，同时确保配方的成本不能增加太多。

1 水性色漆清洗溶剂的改进机理及概要总结

通过红外光谱（FT-IR）及气相色谱仪（GC）分析比较了3 家色漆供应商所用色漆的主体树脂成分，分析发现，B 公司、P 公司与笔者所在公司所用主体树脂的含量和种类不同，B 公司和P 公司产品的C—N 伸缩振动吸收峰比笔者所在公司的产品更强，其产品中可能含有聚合度更高的氨基树脂及丙烯酸树脂，同时P 公司产品中含有更多的自由—OH及—NH，笔者所在公司产品中含有更多的—C=O与—CH2/—CH3；B 公司和P 公司所使用的主体溶剂为醇、醇醚及醚-1#，笔者所在公司使用的溶剂为醚-1#，根据此分析，进行了笔者所在公司清洗溶剂的改进工作。

2 水性色漆清洗溶剂清洗能力的评估方法

2.1 滴落法

（1）用涂膜器涂膜，按照标准将色漆涂在100 mm×150 mm 的胶片上，漆膜厚度25 μm，室温闪干2 min，胶片涂膜后的状态如图1b 所示。

（2）用滴管将清洗溶剂滴落在倾斜45°角的涂膜胶片上（图1a），清洗溶剂滴落量25 mL。

（3）观察溶剂对漆膜的润湿清洗能力。

图1 滴落方法及涂膜状态Figure 1 Dripping and filming

2.2 浸泡溶解法

用涂膜器涂膜，按照标准将色漆涂在100 mm×150 mm 胶片上，漆膜厚度25 μm，室温分别闪干1 min及5 min，然后在250 mL 清洗溶剂（与水混合后）中浸泡1 min，观察漆膜的溶解状态。

2.3 喷涂计量时间及用量法

（1）将涂膜器涂好的100 mm×150 mm 胶片在60 ℃下烘烤20 min。

（2）记录对应胶片涂膜被喷出清洗溶剂喷落的时间以及清洗溶剂的用量（图2）。

图2 喷涂方法及计量Figure 2 Spraying and metering

3 水性色漆清洗溶剂的配方优化机理

3.1 清洗溶剂的配方设计

最初的清洗溶剂是由亲水溶剂、亲油溶剂、胺及表面活性剂组成，它是一个稳定且单一的体系，呈现透明的状态。重点关注表面活性剂以及溶剂的极性（汉森溶解度参数）及相似相溶理论，并筛选可用材料。

3.2 可选用溶剂数据库分析

公司可选溶剂的表面能、溶解度及基本特性见表1、2。其表面能及溶解度坐标图见图3。

表1 可选溶剂的表面能及溶解度Table 1 Solvent surface energy and solubility

表2 可选溶剂的基本特性Table 2 Solvent basic property

图3 可选溶剂表面能及溶解度坐标图Figure 3 Solvent surface energy and solubility graph

由表1 可见，溶剂表面能大小顺序依次为去离子水＞酮＞醚-5#＞醚-3#＞醚-6#＞醚-4#=醇-3#＞醚-2#＞醚-1#＞醇-1#＞长碳链烷烃＞醇-2#；溶解系数大小顺序依次为：长碳链烷烃＞醇-3#＞醚-3#＞醚-6#＞醚-2#＞醇-1#＞醚-1#＞醚-5#＞醇-2#＞醚-4#＞酮＞去离子水。

4 水性色漆清洗溶剂配方改进方案及过程

4.1 第一版、第二版水性色漆清洗溶剂配方

第一版色漆清洗溶剂中含有胺-1#，其熔点为21 ℃，在冬天易结冻，需要烘烤后使用，因此在第二版配方中将其替换成胺-2#，它的熔点为-70 ℃，且与胺-1#的水溶性相同。除此之外，醇-2#被醇-1#替代，因为两者的表面能相同，但醇-1#亲油性更强。

表3 第一版、第二版清洗溶剂的配方Table 3 First and second version flushing thinner formula

由于第二版配方对红色漆清洗困难，尝试通过调整表面活性剂及色浆分散剂进行改进，经多轮验证并没有显著的效果。

4.2 第三版水性色漆清洗溶剂配方

继续优化配方，尝试调整溶剂的极性及亲油性，醚-1#是一种兼有亲水性及亲油性的良溶剂，其在色漆清洗溶剂中对树脂清洗及水油项平衡起着至关重要的作用。

尝试在第三版配方中引入不同极性的溶剂，如醚-2#、醚-4#、醚-5#、酮及醇-2#（表4）。根据汉森溶解度参数计算偶极矩，并按照设计方法进行清洗能力评估，发现用醚-2#替换一部分醇-1#后清洗效果得到显著改进，通过比例调整验证，最终确认溶剂替换量为3.5%（表5）。

表4 第三版优化配方过程及对应清洗效果Table 4 Third version flushing thinner optimizes the formula process and the corresponding cleaning effect

表5 第三版清洗溶剂的配方Table 5 Third version flushing thinner formula

第三版色漆清洗溶剂对所在公司的色漆清洗效果较好，在客户端得到了正向反馈，对于其他公司的色漆，如B 公司的黑色漆及P 公司的红色漆等，依然经常在旋杯内发现色漆残留，导致车身脏点。

4.3 第四版水性色漆清洗溶剂配方

如前所述，我公司产品配方中含有更多的—C=O及—CH2/—CH3，而P 公司及B 公司产品中含有更多游离的—OH 及—NH，这意味着P 公司及B 公司产品的主体树脂中含有更多的氨基树脂及高聚合度的丙烯酸树脂。

基于色漆组分的分析，进行了第四版清洗溶剂的配方改进，尝试引入特定的溶剂，其极性低于醚-1#，同时亲油性强于醚-1#。可以尝试的溶剂有醇-3#、醚-3#以及长碳链烷烃（表6）。通过试验验证，发现醇-3#不仅能加强对B 公司、P 公司色漆的清洗效果，同时对公司其他颜色色漆的清洗能力亦有改进。

表6 第四版溶剂优化配方过程及对应清洗效果Table 6 Fourth version flushing thinner optimizes the formula process and the corresponding cleaning effect

通过滴落试验进行色漆清洗溶剂配比的调整，一版配方用10%的醇-3#等量替换醚-1#；另一版配方用10%的醇-3#替换5.5%的醚-1#及4.5%醇-1#（表7）。因为醇-3#具有较强的油溶性，新版清洗溶剂与水按照2∶8 的质量比混合后，呈现均匀的白色乳液状。

表7 第四版色漆清洗溶剂的配方组成Table 7 Fourth version flushing thinner design

5 水性色漆清洗溶剂配方改进后的试验结果

5.1 第二版、第三版清洗溶剂的试验结果

5.1.1 滴落试验

滴落试验结果见图4。由图4 可见，第三版清洗溶剂比第二版溶剂及K 公司的溶剂有更强的润湿性，其润湿面积更大，且渗透处残留少。

图4 第二版、第三版及K 公司清洗溶剂对色漆的清洗效果图Figure 4 The cleaning effect on paint of second and third version and company K flushing thinner

5.1.2 喷涂试验

喷涂试验结果见表8。由表8 可见，第三版清洗溶剂按照1∶9 及2∶8 比例稀释后，均比第二版溶剂以及K 公司溶剂清洗速度更快，且用量更少，但此版溶剂成本较高，需继续进行优化。

5.2 第四版清洗溶剂的试验结果

5.2.1 滴落试验

第二版、第四版清洗溶剂的滴落试验结果见图5［m（清洗剂）∶m（水）= 2∶8］。图5 结果表明，第四版溶剂比第二版溶剂润湿性更强，其润湿面积更大，且渗透处残留少，对最难清洗的红色漆改进效果明显。

5.2.2 喷涂试验

喷涂试验结果见表9～10。由表9、10 可见，第四版清洗溶剂按照1∶9 及2∶8 比例稀释均比第二版溶剂清洗速度更快，且溶剂用量更少，对于难清洗的红色漆、黑色漆都有明显优势。

5.2.3 溶解试验

溶解试验结果见图6。由图6 可见，第四版溶剂比B 公司及C 公司的两支溶剂有更好的溶解效果，会使得漆膜从胶片上完全剥离，对最难清洗的红色漆改进效果明显。

表8 第二版、第三版及K 公司清洗溶剂对不同色漆的清洗用量及时间Table 8 The cleaning dosage and time of second and third version and company K flushing thinner

图5 第二版、第四版清洗溶剂对色漆的清洗效果图Figure 5 The cleaning effect of second and fourth version flushing thinner

表9 第二版、第四版清洗溶剂对不同色漆的清洗用量及时间Table 9 The cleaning dosage and time of second and fourth version flushing thinner for different colors

表10 第四版及不同公司清洗溶剂对红色漆的清洗用量及时间Table 10 The cleaning dosage and time of fourth and other company flushing thinner for red paint

图6 第四版及其他公司清洗溶剂对红色漆浸泡溶解效果图Picture 6 Dissolve effect of fourth version and other company flushing thinner for red paint

6 水性色漆清洗溶剂改进配方在客户端表现

第四版清洗溶剂（4-1）及（4-2）的清洗效果都有较大改进，根据成本计算，选用第四版-1 产品进行试线（图7），图7 表明，第四版-1 产品的清洗效果优于第二版溶剂，拆卸旋杯雾化器，可见残留明显减少，同时车身脏点个数降低。客户给予了充分的认可。

图7 第四版改进配方及第二版清洗溶剂对雾化器的清洗效果Picture 7 The cleaning effect on atomizer of second and fourth version flushing thinner

7 水性色漆清洗溶剂改进结论与建议

在配方设计及应用研究时发现，此项目存在以下难点：

（1）实验室的模拟与现场实际喷车的大型设备不同，需要找寻一种在实验室能重现出清洗效果的方法。

（2）不同生产厂家的色漆的成分不同，所要配套的清洗溶剂需要对症下药，根据其特有的组分，进行有针对性的改进。

（3）可选用溶剂的种类很多，需要收集资料，确认每种溶剂的溶解性、沸点、极性，以便于更好地适用于现场施工。

针对以上几个问题，笔者的分析及调整方案如下：

（1）通过不断的摸索，在实验室通过在胶片上涂膜，以代替机器喷涂，并在一定闪干时间后进行清洗溶剂的滴落、浸泡及喷涂试验，通过观察溶剂渗透胶片、模拟机器人喷涂方式，以及溶剂对胶片上漆膜的溶解程度，重现出溶剂对不同颜色色漆的清洗效果，来模拟喷车清洗的状态。

（2）通过红外光谱仪，气相色谱仪对各公司产品进行详细的树脂及溶剂组分分析，根据其树脂及溶剂类别有针对性地选择对其溶解性较好的溶剂及表面活性剂改善清洗效果，从剥离及溶解两个角度进行了改善。

（3）通过验证试验发现，混合溶剂对一些树脂有更好的清洗能力，胺的类型对清洗效果没有显著影响，溶剂的极性及亲油性共同决定了溶剂的清洗效果，因此尝试在配方中引入极性不同的溶剂，例如极性较大的去离子水以及极性较小的醇等，从而增强清洗效果。