水性环氧防腐涂料的研制

                                                                                    文章来自：中国防腐网
    摘要：以自制的环氧树脂乳状液为漆基、磷酸锌作为活性防锈颜料合成了水性环氧防腐涂料。研究了涂料中颜基比、固化剂与环氧树脂的当量比等对涂膜性能的影响。结果表明，颜基比小于 1，固化剂CEN-537 与环氧树脂 E-44的当量比为 1 或稍大于 1 时，所得涂膜的各项性能指标可达到较好的平衡；涂料的防绣性能与以硅铬酸铅为防绣颜料的传统涂料相当。新研制的水性环氧防腐涂料性能达到了国外同类产品的水平。
    关键词：水性环氧防腐涂料；防绣颜料；研制；性能；磷酸锌
    中图分类号：TQ630.7 文献标识码：A
    文章编号：1004 – 227X (2007) 04 – 0028 – 04
    1 前言
    涂料挥发性有机物（VOC）对大气的污染是仅次于车辆尾气污染的第二大污染源，随着社会环保意识的增强以及环保法规的日益严格，非溶剂型环保涂料尤其是水性涂料得到了快速发展[1]。水性涂料的配方相对比较复杂，通常包含多种助剂，而这些助剂常常影响到涂膜的性能[2-3]，尤其是耐水性与耐化学品性能，水性涂料的成膜过程也与溶剂型涂料不同，非均相的乳胶成膜是其主要的成膜方式，这些因素往往会影响到涂膜的物理化学性能。而防腐涂料对涂膜的附着力、耐水、耐化学品等性能要求通常较高，因此水性防腐涂料的技术难度较大，其发展相对于其他水性涂料品种而言比较缓慢[4]。水性环氧涂料由于具有良好的耐水、耐化学品性，尤其具有优异的附着力，从而成为国外发展最快的水性防腐涂料，也是当前最主要的水性防腐涂料产品。本实验利用自制的环氧树脂乳液研制了水性环氧防腐涂料配方，并得到了性能良好的防腐涂料产品。
    2 实验部分
    2. 1 主要实验材料
    环氧树脂乳液 WEP-1、WEP-2 是环氧树脂 E-44、 E-20 的乳状液产品，固含量为 50%，由自制的专用乳化剂乳化制得[5]；EPI-REZ Resin 3520-WY-55 为 Shell 公司产品，固含量为 55%，环氧当量（以固含量计）为 485 ~ 555，与 WEP-2（其环氧当量为 450.5 ~ 500）相当；固化剂 CEN-537，水性聚酰胺，固含量 60%，胺氢当量 174，Shell 公司产品；颜填料磷酸锌、硫酸钡、氧化锌、硅铬酸铅、氧化铁红、滑石粉皆为国产工业级；消泡剂 BYK-034、BYK-1615 与润湿分散剂 Disperbyk-191 为德国 BYK-Chemie 公司产品，润湿分散剂 DP-518 为台湾德谦公司产品，pH 值调节剂 AMP-95 为美国 ANGUS 公司产品，增稠剂 HX-5500 为广州番禺华夏助剂公司产品。
    2. 2 实验方法
    2. 2. 1 水性环氧防腐涂料的制备
    将颜填料、助剂、乳液按照以下配方预混合、研磨分散、调漆等工艺步骤[6]制备涂料产品。

    2. 2. 2 涂膜的制备
    按 GB/T1727-1992 方法，以马口铁片为底材，刷涂或刮涂。
    2. 2. 3 涂料与涂膜性能测试
    (1) 冻融稳定性：将涂料密封后于–18 °C 下保存 16 h，然后取出置于 23 °C 恒温 8 h，此为一周期。观察涂料是否发生反粗、沉淀、胶凝、结块等现象。如无以上现象发生，则为此周期通过。
    (2) 涂料细度：按 GB1724-79 方法。
    (3) 漆膜光泽：60 °光泽，KGZ-IB 型光泽度仪，天津科器高新技术公司制造。
    (4) 涂膜硬度：铅笔硬度，按 GB/T6739-1996 方法。
    (5) 涂膜抗冲击性：按GB/T1732-1993 方法。
    (6) 涂膜附着力：漆膜划格实验，按GB/T9286-1998 方法。
    (7) 涂膜抗弯曲性能：按 GB6742-86 方法。
    (8) 涂膜防锈性能：用耐水性与耐盐水性表示，参照 GB/T1733-93 方法，用清水和 3%的 NaCl 溶液浸泡漆板，观察漆膜的变化情况。
    (9) 漆膜耐化学品性能：用 10%的 HCl 和 10% 的 NaOH 溶液浸泡漆板，观察漆膜的变化情况。
    3 结果与讨论
    3. 1 颜基比对涂膜光泽度的影响
    颜基比在涂料配方研制中是确定漆基与颜填料比例的具有实际意义的指标。以 WEP-1、WEP-2 为漆基， CEN-537 为固化剂，在不同的颜基比下涂膜的光泽度变化如图 1 所示。

    从图 1 可知，在颜基比较小时，水性环氧防腐涂料形成的涂膜其光泽度很高，当颜基比小于 0.5 时，光泽度可达到近 80%，涂膜非常光亮；随着颜基比的增加，涂膜的光泽度急剧下降，光泽度变化的拐点对应的颜基比在 1 左右；在颜基比大于 1 时，涂膜的光泽度很低，此时漆基不能完全包覆颜填料颗粒表面，颜填料颗粒之间存在空隙，导致涂膜的致密性与平整度降低，光的反射作用减弱，涂膜表面的光泽度下降。由于对防腐涂料涂膜的抗渗性要求较高，根据图 1 光泽度–颜基比曲线，颜基比应在 1 以下，本实验涂料配方颜基比确定为 0.7。
    3. 2 固化剂与环氧树脂当量比对涂膜性能的影响
    以 CEN-537 为固化剂，与环氧树脂乳液 WEP-1 按不同的当量比混合，涂膜的物化性能如表 1 所示。从表 1 可以看出，固化剂与环氧树脂之间的当量比对涂膜的物理化学性能有很大影响。固化剂作为一种反应性组分，固化后成为涂膜高分子结构中的一部分，它的化学组成与加入量直接影响到涂膜的固化成膜过程与涂膜的交联结构，最终会影响到涂膜的性能。对于不同的固化剂-环氧树脂体系由于其分子量、分子结构不同，各有其适宜的当量比。环氧树脂 E-44 的环氧当量约为 227，固化剂 CEN-537 为水性聚酰胺，其活泼胺氢当量为 174，当固化剂与环氧树脂的当量比增加时，固化膜分子的交联密度增加，涂膜的光泽度、硬度增加，同时对水、电解质等的渗透性降低，因此其防锈性能大大提高。但固化物交联密度的增加也使得涂膜变脆，表现为涂膜的抗弯曲性和抗冲击性能这两项物理机械性能指标降低，在外力作用下涂膜容易损伤。综合各项性能，胺氢与环氧基当量比为 1 或稍大于 1 时各项性能指标可以达到相对较好的平衡。

    3. 3 活性颜料碱式硅铬酸铅与磷酸锌防锈性能比较以 WEP-1 为漆基，CEN-537 为固化剂，将配方中的磷酸锌按等体积用硅铬酸铅替换，所得两种涂料涂膜的防锈性能如表 2 所示。

    碱式硅铬酸铅是以二氧化硅为核、包覆碱式铬酸铅和硅酸铅，经高温煅烧、核与外膜发生固相反应形成化学结合的复合物，其含铅量为红丹的一半，毒性较红丹小，并具有较好的防腐性能，因此在防腐涂料中发展较快[7-8]，但其安全性仍然小于磷酸系颜料。磷酸锌是一种无毒的新型活性防锈颜料，其防锈机理一般认为它具有阳极极化作用和阴极极化作用。磷酸锌解离生成磷酸盐离子，在金属表面与 Fe3+形成附着牢固的络合物 Fe[Zn3(PO4)3] 沉淀层而抑制阳极反应（阳极极化），锌离子与阴极区的 OH–反应，生成溶解性很小的氢氧化锌或碱式锌盐而起阴极极化作用，同时能与漆料中的羟基、羧基络合，使颜料–漆料–底材之间形成化学结合从而提高涂层的附着力和抗渗性。从表 2 可以看出，在研制的水性环氧防腐涂料体系中，以磷酸锌为活性防锈颜料的涂膜其防锈性能优于以硅铬酸铅为活性颜料的涂膜，该实验结果表明磷酸锌是一种高效、无毒的活性防锈颜料。
    3. 4 研制的水性防腐涂料与国外同类产品性能比较在影响涂膜性能的各因素中，漆基的化学组成与质量往往起着决定性作用。本实验以环氧当量相近的自制环氧树脂乳液 WEP-2 和 Shell 公司产品 EPI-REZ Resin 3520-WY-55为漆基按相同的配方和工艺制备水性环氧防腐涂料，固化剂为 CEN-537，固化膜的性能如表 3 所示。

    从表 3 可以看出，两种涂料产品都表现出较好的物理机械性能和优异的防锈性能，但漆膜抗强酸强碱的能力有限，不能长时间经受强酸强碱的腐蚀，因此本实验研制的水性环氧防腐涂料更适合于大气条件下金属材料（如金属桥梁、钢结构等）的防锈涂料。实验结果表明，自制的环氧树脂乳液防腐涂料已达到了国外同类产品的技术水平，其主要性能指标与铁道部《铁路货车水性厚浆型涂料技术条件》要求基本相符。
    4 结论
    (1) 所研制的水性环氧防腐涂料体系，其颜基比在 1.0 左右时涂膜的光泽度变化出现跃变。因此，颜基比以小于 1.0 为宜。
    (2) 固化剂 CEN-537 与环氧树脂 E-44 的胺氢与环氧基当量比为 1 或稍大于 1 时，各项性能指标可以达到相对较好的平衡。
    (3) 磷酸锌作为一种新型活性防锈颜料其安全性好、防锈性能优异。
    (4) 本实验研制的水性环氧防腐涂料，各项性能指标达到了国外同类产品的技术水平，适合用作大气条件下金属材料的防锈涂料。
    参考文献：
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    [8] 姜英涛. 涂料工艺(第五分册)[M]. 2 版. 北京: 化学工业出版社, 1996: 28. [ 编辑：韦凤仙 ]

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