馮學(xué)彪，張愛(ài)黎，姜 影

(沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

0 前 言

涂料具有裝飾、防腐、標(biāo)志以及各種特殊功能，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中。涂裝中產(chǎn)品出現(xiàn)的突起、針孔、厚邊、泛白等瑕疵需要脫漆重新涂裝；長(zhǎng)期使用后漆膜開(kāi)裂、脫落等老化的漆膜不再具備應(yīng)有的功能同樣需要脫漆重涂。脫漆劑的研究與使用成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的重要問(wèn)題之一。目前，由于環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展、國(guó)家對(duì)于環(huán)保的要求，環(huán)保型脫漆劑成為研究熱點(diǎn)[1]。針對(duì)不同基材的性能要求，研究開(kāi)發(fā)了適用于不同需要的脫漆劑。駱高丹等[2]研究了以正丁醇作為主溶劑、乙二醇丁醚為助溶劑、乙酸為促進(jìn)劑的工程塑料表面脫漆劑，其脫漆能力為2 m2/L；段寧等[3]研究了二元酸酯為主溶劑的環(huán)保型脫漆劑對(duì)鍍錫鋼板的腐蝕性；顏杰紅[4]研究了環(huán)保型脫漆劑在飛機(jī)零件上的應(yīng)用；馮俠[5]研究了用于零部件表面脫漆的環(huán)保型脫漆劑，拉鏈頭用水性高效脫漆劑的制備及應(yīng)用；王金梅等[6]研究了主溶劑、助溶劑等各組分對(duì)拉鏈頭聚酯類(lèi)漆膜的脫漆作用；侯偉等[7]針對(duì)特殊彎曲結(jié)構(gòu)漆膜，研究的二氯異氰尿酸鈉與有機(jī)溶劑復(fù)配脫漆劑取得良好效果。董穎女等[8]以N - 甲基吡咯烷酮以及苯甲酸甲酯為主溶劑，配合助溶劑、活化劑針對(duì)環(huán)氧富鋅底漆涂層研究了一種乳液型脫漆劑；楊軍等[9]對(duì)飛機(jī)脫漆劑進(jìn)行了組成分析。傳統(tǒng)的涂層脫漆劑大多含有氯代烷以及苯類(lèi)溶劑，汽車(chē)輪轂脫漆劑中含有苯酚，這些脫漆劑高效但是毒性高、污染大。而替代傳統(tǒng)溶劑型脫漆劑的水性脫漆劑、乳液型脫漆劑常常脫漆效果比較差，特別是對(duì)一些體型聚合交聯(lián)樹(shù)脂、較厚的涂層，使用了液體石蠟類(lèi)助劑，在抑制有機(jī)溶劑揮發(fā)的同時(shí)，帶來(lái)脫蠟后處理問(wèn)題。為此，本工作研制了無(wú)鹵、無(wú)苯、無(wú)苯酚類(lèi)物質(zhì)的乳液型脫漆劑，配合脫漆設(shè)備，對(duì)熱固性環(huán)氧涂料以及企業(yè)提供的成品汽車(chē)輪轂多層復(fù)合漆進(jìn)行脫漆研究，取得了良好效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)藥品及材料

乙酸乙酯，OP - 10，苯甲醇，甲醇，甲酸，乙酸，以上試劑均為化學(xué)純。十六烷基三甲基溴化銨(分析純)，自制去離子水。試驗(yàn)基材為35CrNiMo合金鋼，涂層為熱固性環(huán)氧涂料，漆膜厚(105±5) μm。鋁合金輪轂樣件長(zhǎng)約50 mm、高30 mm，漆膜厚160～180 μm。汽車(chē)輪轂多層復(fù)合漆待脫漆樣件由企業(yè)提供，鋁合金輪轂件經(jīng)過(guò)噴砂、除油、堿蝕、水洗等前處理步驟后，噴涂液體環(huán)氧底漆，160 ℃高溫烘烤固化，然后噴涂丙烯酸樹(shù)脂粉末涂料做透明面漆，180 ℃固化。

1.2 脫漆劑性能檢測(cè)

1.2.1 脫漆劑的脫漆效率

根據(jù)HG/T 3381-2003規(guī)定方法測(cè)定脫漆劑的脫漆效率。脫漆效率計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

(1)

1.2.2 脫漆劑的揮發(fā)速率

稱(chēng)取100.00 g脫漆劑置于干燥、潔凈的500 mL燒杯中，將其在室溫下置于通風(fēng)櫥內(nèi)，每隔30 min稱(chēng)重1次，48 h后計(jì)算其揮發(fā)率。揮發(fā)率計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 脫漆劑基礎(chǔ)配方的確定

由于試驗(yàn)樣件較大，試驗(yàn)時(shí)使用分體三頸燒瓶，配回流冷凝管以及溫度計(jì)，見(jiàn)圖1。樣件置入燒瓶后，合上燒瓶上蓋，鋼箍固定燒瓶上下兩部分。使用分體式回流冷凝設(shè)備，低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑通過(guò)冷凝管回流至設(shè)備，減少了溶劑損失，降低了VOC排放量，同時(shí)分體式脫漆設(shè)備可以使樣件加熱前后浸泡，增加脫漆效果。設(shè)備可加熱，對(duì)于厚膜、熱固性涂料等難以脫漆涂料有很好的作用。脫漆溫度為溶劑呈穩(wěn)定回流速率時(shí)的溫度，記錄回流時(shí)脫漆劑溫度與脫漆時(shí)間。

圖1 脫漆裝置示意

通過(guò)單因素比較確定了脫漆劑基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：乙酸乙酯21.5%，苯甲醇36.4%，甲醇5.6%，甲酸15.1%，乙酸6.9%，去離子水11.60%，十六烷基三甲基溴化銨1.2%，OP-10為1.2%。以黃金分割法進(jìn)一步細(xì)化比較配方中各組分對(duì)35CrNiMo合金鋼的熱固性環(huán)氧涂料脫漆效果的影響。根據(jù)基礎(chǔ)配方確定試驗(yàn)范圍a，b(表1)，黃金分割計(jì)算公式如下：

表1 黃金分割法各組分取值范圍與計(jì)算結(jié)果

X1=a+0.618(b-a)

(3)

X2=a+0.382(b-a)

(4)

試驗(yàn)中基礎(chǔ)配方的其他量不變，只改變研究變量用量或者用量比例，其結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，編號(hào)7的樣件脫漆效率為100%。同時(shí)看到，雖然苯甲醇和甲醇都具有氫鍵，氫鍵溶解度參數(shù)相近，可以作為助溶劑使用，但是脫漆效果不同?？赡茉蚴潜郊状嫉南鄬?duì)分子質(zhì)量大，色散力溶解度參數(shù)與色漆相近，而甲醇分子量小，對(duì)色漆的溶脹性能更好，所起作用不同所致。同樣，促進(jìn)劑甲酸和乙酸用量不同，脫漆效果不同，甲酸用量大，脫漆效果更好。

表2 脫漆劑成分對(duì)脫漆效果的影響

2.2 正交試驗(yàn)法優(yōu)化脫漆劑配方

2.2.1 優(yōu)化配方的確定

在表2的試驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合黃金分割法，選擇4因素3水平進(jìn)行正交試驗(yàn)研究脫漆劑優(yōu)化配方。正交試驗(yàn)的因素 - 水平見(jiàn)表3。以脫漆劑對(duì)樣件的脫漆效果為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究脫漆效率，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 因素 - 水平

表4 正交L9(34)試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，各因素對(duì)脫漆效率的影響大小依次為：去離子水質(zhì)量分?jǐn)?shù)>苯甲醇與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)比>甲酸與乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比>乙酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由正交試驗(yàn)極差分析法中R值和k值計(jì)算得到的優(yōu)化配方為A2B2C1D1，為驗(yàn)證該配方，與正交9組試驗(yàn)中第6組(A2B3C1D2)脫漆效率為100%對(duì)比，達(dá)脫漆效率為100%時(shí)的時(shí)間延長(zhǎng)為33 min，因此選擇第6組為最優(yōu)配方。即35CrNiMo合金鋼的熱固性環(huán)氧涂料脫漆劑的優(yōu)化配方：乙酸乙酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.96%，苯甲醇與甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為2.01∶1.00，甲酸與乙酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為6.62∶1.00，去離子水質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.60%。

2.2.2 優(yōu)化配方脫漆劑的基礎(chǔ)理化性能

優(yōu)化配方下脫漆劑的各項(xiàng)理化性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，脫漆劑呈弱酸性，為乳液型脫漆劑，不燃；由于不存在黏度較大液體石蠟類(lèi)原料，產(chǎn)品易于沖洗。

表5 脫漆劑理化性能

2.2.3 優(yōu)化配方脫漆劑揮發(fā)性測(cè)試

配制100.00 g脫漆劑置于干燥、潔凈的500 mL燒杯中，將其在室溫下置于通風(fēng)櫥內(nèi)，每隔30 min稱(chēng)重1次。12 h為1個(gè)連續(xù)測(cè)試周期，夜間脫漆劑置于帶磨口錐形瓶中，次日連續(xù)測(cè)試，合計(jì)48 h揮發(fā)后計(jì)算其揮發(fā)率，其結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 脫漆劑揮發(fā)量變化

由圖2可知，脫漆劑前6 h揮發(fā)量大，溶劑揮發(fā)快。48 h脫漆劑總揮發(fā)量為32.58 g，即揮發(fā)率為32.58%，平均每小時(shí)揮發(fā)率為0.68%。與傳統(tǒng)有機(jī)溶劑型脫漆劑相比，研制的脫漆劑揮發(fā)性較低。

2.3 汽車(chē)輪轂漆脫漆效果研究

2.3.1 汽車(chē)輪轂漆樣件脫漆

樣件為企業(yè)提供的有瑕疵成品汽車(chē)輪轂多層復(fù)合漆件切割的。汽車(chē)輪轂漆件基材為鋁合金，涂裝了熱固性環(huán)氧底漆、丙烯酸樹(shù)脂面漆。脫漆劑配方選用35CrNiMo合金鋼表面熱固性環(huán)氧涂料脫漆優(yōu)化配方，脫漆劑溫度到達(dá)74 ℃后保持回流15 min，反應(yīng)結(jié)束后冷卻10 min取出，水沖洗。脫漆后的汽車(chē)輪轂樣件表面呈光亮銀白色，三頸燒瓶?jī)?nèi)溶液中漂浮大量透明漆膜。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)成品汽車(chē)輪轂切割后的樣件表面與脫漆后樣件同樣呈光亮銀白色，在脫漆容器即分體式玻璃燒瓶中漂浮漆膜，不易觀(guān)察脫漆狀態(tài)。所以以樣件完全脫漆為標(biāo)準(zhǔn)，研究脫漆劑重復(fù)使用性能。

2.3.2 脫漆劑的重復(fù)利用

脫漆劑首次將汽車(chē)輪轂漆樣件脫漆后，將樣件取出放入新樣件繼續(xù)脫漆，研究脫漆劑重復(fù)使用效果。溫度達(dá)74 ℃后恒溫反應(yīng)6 min，冷卻6 min后取出水洗，觀(guān)察零件表面，判斷脫漆效果。冷卻至室溫后，過(guò)濾脫漆劑，將分體燒瓶?jī)?nèi)漂浮漆膜過(guò)濾，重復(fù)試驗(yàn)。脫漆劑重復(fù)使用4次，樣件脫漆完全，表面呈光亮銀白色。

當(dāng)?shù)?次使用后，同樣的反應(yīng)時(shí)間和溫度，樣件表面有漆膜殘留，需要增加脫漆時(shí)間才能夠?qū)崿F(xiàn)完全脫漆。

脫漆裝置使用的是可分體燒瓶，可以放置較大樣件，有回流冷凝裝置，加熱回流，使低沸點(diǎn)溶劑揮發(fā)損失小，可多次重復(fù)使用。過(guò)濾燒瓶中漆膜后補(bǔ)加過(guò)濾漆膜時(shí)損失的溶劑，脫漆劑仍然可以使用。

3 脫漆劑機(jī)理分析

脫漆劑的脫漆原理主要包括溶劑對(duì)漆膜的溶脹作用、溶解度參數(shù)、相似相溶原理以及溶劑化規(guī)律。其中脫漆劑與漆膜能夠形成氫鍵時(shí)，會(huì)導(dǎo)致漆膜被溶解[10，11]。選用乙酸乙酯為主溶劑，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂以及丙烯酸樹(shù)脂有很好的溶解力。選用苯甲醇與甲醇復(fù)配作為助溶劑，甲酸與乙酸復(fù)配為促進(jìn)劑，水作為無(wú)機(jī)溶劑，都可以提供氫鍵，能夠與丙烯酸樹(shù)脂中羰基以及環(huán)氧樹(shù)脂醚鍵氧原子形成氫鍵，促使漆膜溶解。水作溶劑，降低了有機(jī)溶劑的使用量及其揮發(fā)至大氣中的VOC含量。采用加熱回流方式，使脫漆劑分子以及漆膜分子熱運(yùn)動(dòng)增加，溶脹效果增強(qiáng)，脫漆效果提高。選用分體式燒瓶，解決了樣件大、取放不便的問(wèn)題，同時(shí)避免了配方中采用的低沸點(diǎn)強(qiáng)溶劑乙酸乙酯，小分子促進(jìn)劑甲醇等有機(jī)溶劑飽和蒸汽壓加大及其揮發(fā)度增大、增加大氣中VOC含量的問(wèn)題。針對(duì)目前脫漆劑中常加入液體石蠟類(lèi)物質(zhì)阻止有機(jī)低沸點(diǎn)溶劑揮發(fā)[12]，但是脫漆劑使用后液體石蠟的去除又產(chǎn)生大量有機(jī)廢水問(wèn)題，采用的加熱回流脫漆設(shè)備，將不使用液體石蠟類(lèi)物質(zhì)阻止脫漆劑揮發(fā)成為可能。

4 結(jié) 論

(1)研制出了低毒環(huán)保乳液型無(wú)鹵、無(wú)苯、無(wú)苯酚類(lèi)物質(zhì)的脫漆劑，配合可加熱回流的分體式燒瓶設(shè)備，對(duì)于35CrNiMo合金鋼上涂裝的較厚熱固性環(huán)氧漆膜，以及涂裝了熱固性環(huán)氧底漆、丙烯酸樹(shù)脂面漆的汽車(chē)輪轂漆具有較高的脫漆效率。

(2)設(shè)備加熱回流時(shí)脫漆劑中易揮發(fā)成分通過(guò)冷凝管回流至燒瓶，減少了脫漆劑物料損失，降低了VOC排放量。脫漆劑不使用液體石蠟，使樣件水洗容易，有機(jī)廢液減少，并且脫漆劑可以重復(fù)使用。