吴鹏洲 / 高庆福 / 李光 / 彭震宇 / 周良运(擎天材料科技有限公司)

摘要：本文针对极寒地区铝轮毂透明粉末涂料的低温脆化问题，基于涂层低温脆化机理，采用“降低T g”与“引入柔性链段—极性基团协同网络”的策略，成功开发出一种高性能透明粉末涂料。通过优化树脂体系、增塑剂、增韧剂及硅烷偶联剂的种类与用量，该涂料在-40 ℃下展现出优异的柔韧性、附着力和抗碎石冲击性能，同时满足高透明度与高耐候性的外观要求。实验结果表明，该涂料全面满足铝轮毂涂装技术标准，为铝轮毂在极寒气候下的可靠应用提供了有力的技术支持。

0 引言

极寒地区因其特殊的地理环境与气候特征，对于各类工业产品及零部件的性能提出了极为严苛的要求。铝轮毂作为汽车等交通工具的关键零部件之一，在极寒地区的使用场景中也面临着诸多挑战。特别是在极低温环境下，其透明面漆涂层发脆、机械性能骤降等，进而影响铝轮毂的使用寿命与整体性能。

本文基于涂层低温脆化机理，通过树脂体系与功能助剂协同优化，研制出适用于极寒地的铝轮毂用透明粉末涂料。该涂料在-40 ℃下仍保持优异的柔韧性、附着力和抗碎石冲击性能，同时满足高透、高耐候的罩光外观需求，为极端气候条件下铝轮毂可靠服役提供了新解决方案。

1 试验部分

1.1 原材料

丙烯酸改性聚酯树脂(A、B、C、D)，擎天材料科技有限公司；TGIC(三羟甲基丙烷三缩水甘油醚)，市售；增塑剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，市售；增韧剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，市售；硅烷偶联剂(KH-550、KH-560、KH-570)，市售；其他助剂(流平剂、安息香、光亮剂等)，市售。

1.2 主要设备

原料预混阶段使用DFY-500型小型粉碎机(温岭市林大机械)；挤出阶段使用SLJ-30型双螺杆混炼挤出机(东辉机械)；粉末涂料喷涂使用诺信静电喷枪；粉末固化阶段使用GPH-30型精密高温烘箱(爱斯佩克环境仪器有限公司)。粒径控制阶段使用ACM-02超微磨粉系统(烟台东源化工)。物性表征仪器包括DSC-200差示扫描量热仪(上海和晟)、HS-SS-1A 耐碎石冲击试验机(上海和晟)、QCJ漆膜冲击试验机(华国精密)、120型盐雾试验箱(莱斯德)、恒温水浴箱(海达仪器)、TC-XD-150氙灯耐气候试验箱(天诚仪器)等。

1.3 粉末涂料及涂层制备

依照既定配比精确称量各组分，先用小型粉碎机进行初步均化，随后置于设定温区的双螺杆挤出机中熔融挤出；所得片料经冷却破碎、筛分后，进行静电喷涂及热固化成膜，最终对涂层性能进行检测。

1.4 性能测试

按GB/T 1732测试冲击性能；用目测方法判断涂膜外观；按GB/T 13448测试T弯性能；按GB/T 6739测试铅笔硬度；按GB/T 1732测试冲击性能；按GB/T 10125测试CASS性能及中性盐雾性能；按GB/T 1733测试耐水性能；按ASTM D3170测试碎石冲击性能；按GB/T 1865测试氙灯老化性能。

2 结果与讨论

2.1 原因分析

涂层在低温下发脆，其根本原因是当温度降到其玻璃化转变温度T g以下时，树脂分子链段被“冻结”，材料由韧性迅速转为玻璃态硬脆体；与此同时，温度下降过程，涂层与基体因热膨胀系数差异产生热应力，见式(1)，使本就因缺陷而脆弱的涂层更易在微小外力或热冲击下瞬间开裂、剥落，表现出低温脆性^[1]。

2.2 透明罩光体系的设计与优化

本文面向铝轮毂透明罩光面漆的极寒服役需求，综合耐候、力学与施工性三重指标进行体系遴选。丙烯酸体系凭借高光泽、高饱满度及卓越耐候性在工业端占主导，但其刚性主链导致韧性不足；聚酯/PRIMID与聚氨酯体系在厚喷条件下易出现针孔，现场施工窗口受限；传统聚酯/TGIC体系因柔性链段丰富而展现优异力学性能，但透明度与耐候等级略逊于丙烯酸体系。

权衡上述利弊，本文采用丙烯酸改性聚酯树脂与TGIC固化相结合的杂化体系：利用丙烯酸链段赋予高光泽、高耐候及高透明度的表面特性，同时引入聚酯柔性链段和适度交联网络，以协同提升低温韧性和热应力耐受能力，从而实现极寒环境下铝轮毂涂层的长效防护与外观保持。

2.3 丙烯酸改性聚酯树脂的筛选与极寒适应性评估

本文对四种丙烯酸改性聚酯树脂进行了系统评估，以TGIC为固化剂(依据树脂的酸值足量添加)，其结果如表1：

表1结果表明，常温条件下，随酸值在一定范围内递增，交联密度呈正相关提升，力学性能亦同步增强。然而，置于极寒(-40 ℃)环境后，各涂层均出现不同程度的力学衰减与附着力劣化。同时外观评估显示，树脂A、B表面平整，无桔皮缺陷；树脂C、D则出现明显弊病。权衡外观、力学及极寒适应性，黏度3000~3500 mPa·s、酸值为30~34 mgKOH/g、树脂T g为45 ℃的树脂B综合性能最优，故确定其为主体树脂。

2.4 外增塑下涂层Tg调控及低温脆化抑制评估

受限于树脂分子设计的“硬段”桎梏，单凭其本身无法拆解低温脆化困局，需引入外助策略联合发力；在众多选项中，降低涂层T g的边际收益最高，故优先列为研究突破口。实现路径上，首先考虑引入增塑剂：其分子可插层于聚酯链段之间，削弱分子间作用力、抑制微晶生成，使链段在低温下仍具备足够的运动能力，从而显著降低涂层T g并同步提升柔韧性^[2]。为筛选最适配的增塑体系，本文系统评价了数种市售增塑剂，其性能对比列于表2。

表2表明，适量增塑剂可显著降低涂层T g并提升-40 ℃下涂层的冲击韧性与附着力；其中邻苯二甲酸酯类与癸二酸酯类效果最为突出，但前者在低温易发生迁移析出，导致表面失光。综合外观与性能保持，本文选用癸二酸酯类增塑剂。

同时通过系统试验确定其最佳添加量为0.5~1.5%(质量分数)：低于0.5%时增塑作用不明显，高于1.5%则易引发流挂及粉末发粘等缺陷。

2.5 增韧剂对涂层常温与极寒条件下韧性的影响

为了进一步提高涂层的韧性，本文评估了不同增韧剂对涂层在常温(25 ℃)及极寒(-40 ℃)环境下T弯性能的影响，结果如表3：

从表3可以看出，改性热塑性树脂在两种温度下均展现出最优的增韧效果，其T弯性能分别达到1T和2T，明显优于其他增韧剂。综合考虑其低温韧性、与基材的相容性及环保特性，本文最终选定改性热塑性树脂作为涂层的主体增韧剂。

经过系统的试验评估，我们确定了改性热塑性树脂的最佳添加量范围为1.0%至3.0%(以质量分数计)。当添加量低于1%时，增韧效果并不显著，无法充分发挥其增韧作用；而当添加量超过3%时，虽然仍能提供一定的增韧效果，但边际效益递减，同时成本的增加变得不再经济。

2.6 硅烷偶联剂对涂层附着力提升的评估

涂层附着力是衡量其在极寒环境下稳定性的关键指标。在前期研究中，尽管通过树脂改性、增塑与增韧等手段优化了涂层性能，但在极寒条件(-40 ℃)下，附着力仍存在进一步提升空间。为此，本文引入了硅烷偶联剂。

通过系统评估三款常见硅烷偶联剂(KH-550、KH-560、KH-570)在不同添加量(0.1%、0.3%、0.5%)下的性能表现，发现当添加量为0.3%至0.5%时，这些偶联剂均能在-40 ℃条件下将涂层附着力从1级提升至0级。

在对比中，KH-570因与丙烯酸改性聚酯-TGIC体系相容性最佳，不仅显著增强了附着力，还提升了涂层的耐候性。其甲基丙烯酰氧基可与聚酯树脂中的不饱和双键共聚，形成稳定化学键，同时其甲基封端结构降低涂层表面能，使涂层更均匀分布于基材表面，减少孔隙率^[3]。

因此，KH-570 被确定为最佳选择，其添加量为0.3%~0.5%。在此添加量区间，KH-570不仅能显著增强涂层在极寒环境下的附着力与耐候性，还能避免因添加量过多而导致粉末耐结团性能大幅下降，从而为铝轮毂在极端气候条件下的可靠应用提供了有力保障。

2.7 技术要求与目前产品水平

通过“降低T g”与“引入柔性链段—极性基团协同网络”的策略，本文成功开发出了一种专为极寒区域设计的透明粉末涂料。该涂料的性能与铝轮毂涂装技术要求的对比如下表4所示。

3 结语

本文深入探究了铝轮毂透明粉末涂料在极寒环境下的性能衰减机制，并通过协同优化树脂体系、增塑剂、增韧剂及硅烷偶联剂的种类与用量，成功开发出一种专为极寒地区设计的高性能透明粉末涂料。该涂料在-40 ℃的极端低温条件下，依然展现出卓越的柔韧性、附着力和抗碎石冲击性能，同时满足高透明度与高耐候性的外观要求。为铝轮毂在极寒气候下的可靠应用提供了坚实的技术保障，具有显著的实际应用价值和广阔的应用前景。

参考文献：

[1] Zhang H, Wang L. Mechanism of embrittlement in coatings at low temperatures[J]. Progress in Organic Coatings, 2019, 135: 85-92.

[2] 南仁植. 粉末涂料与涂装技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2014.

[3] Liu X, Zheng S. Impact of silane coupling agents on the properties of coatings[J]. Surface and Coatings Technology, 2016, 282: 45-52.

来源：粉末涂料与涂装25年会刊