水性丙烯酸防腐涂料的制備及其應(yīng)用

劉承泰 （中遠(yuǎn)關(guān)西涂料化工（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

近年來(lái)，人們?cè)谑褂萌軇┬屯苛系倪^(guò)程中向大氣排放了大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compound，VOC），造成了嚴(yán)重的大氣污染，破壞了生態(tài)環(huán)境［1-3］。因此隨著環(huán)保壓力日趨嚴(yán)苛，采用環(huán)保型涂料替代溶劑型涂料已經(jīng)迫在眉睫。水性涂料因其較低的VOC優(yōu)勢(shì)被人們所重視［4-6］。如今，在集裝箱領(lǐng)域，水性涂料替代油性涂料正在穩(wěn)步推進(jìn)。但是相對(duì)于溶劑型涂料，水性涂料的防腐性能較差，尤其是水性丙烯酸涂料，需要提高其防腐性能來(lái)應(yīng)對(duì)惡劣的腐蝕環(huán)境。

通過(guò)對(duì)水性丙烯酸涂料的防腐性能進(jìn)行了研究，制備出一款具有良好防腐性能的水性丙烯酸涂料，并在集裝箱領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

原料：消泡劑，Tego；分散劑，BYK；水性丙烯酸樹(shù)脂，巴德富；基材潤(rùn)濕劑，Tego；流平劑，Tego；觸變劑，DOW；防霉劑，伊士曼；殺菌劑，DOW；成膜助劑，DOW；蒸餾水，自制；防閃銹助劑，普為。

儀器：細(xì)度板，天津市精科材料；高速分散機(jī)，德國(guó)VNA-GETZMANN公司；膜厚儀，德國(guó)尼克斯；光澤儀，德國(guó)BYK公司；色差儀，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；QUV加速老化試驗(yàn)箱，美國(guó)Q-LAB；鹽霧箱，美國(guó)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品；天平，德國(guó)賽多利斯。

1.2 水性丙烯酸涂料的配方

水性丙烯酸涂料的配方如表1所示。

表1 水性丙烯酸涂料的配方Table 1 The formula of waterborne acrylic coatings

1.3 性能指標(biāo)

參照HG/T 4758—2014《水性丙烯酸樹(shù)脂涂料》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)制得的水性丙烯酸涂料進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性丙烯酸樹(shù)脂的影響

樹(shù)脂作為基本的成膜物質(zhì)，對(duì)防腐涂料的防腐性能起著關(guān)鍵作用。在防腐領(lǐng)域，優(yōu)質(zhì)的樹(shù)脂需要具備2個(gè)基本性能：一是較好的阻隔性能，可以阻隔水汽、氧氣等腐蝕介質(zhì)，防止金屬介質(zhì)的腐蝕；二是樹(shù)脂與金屬基材之間有良好的附著力，防止涂層從金屬基材表面脫落，從而失去防護(hù)性能［7］。丙烯酸樹(shù)脂通常由（甲基）丙烯酸和（甲基）丙烯酸酯類(lèi)單體在水介質(zhì)中聚合制得，如圖1所示。但是與雙組分環(huán)氧樹(shù)脂相比，單組分丙烯酸樹(shù)脂防腐性能較差。目前可以通過(guò)兩種方法來(lái)提高其防腐性能：一是采用具有核殼結(jié)構(gòu)的乳液，將防護(hù)性能優(yōu)良、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高的部分置于核部分，將附著力較好、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低的結(jié)構(gòu)置于殼部分，從而使樹(shù)脂兼具阻隔和附著的能力；二是采用具有自交聯(lián)結(jié)構(gòu)的乳液，在施工后漆膜可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟宦?lián)，從而提升防腐性能。本研究中選用的水性丙烯酸樹(shù)脂是一種苯丙共聚物乳液，苯乙烯含量低，可避免因苯乙烯含量較高而引起的附著力和柔韌性欠佳、耐沖擊效果略差的問(wèn)題，以確保其具有良好的保光保色性和抗粉化的能力。乳液的最低成膜溫度較低，有良好的附著力以及與普通防銹顏料的配伍性，賦予涂膜良好的耐腐蝕性和耐溶劑性能。

表2 水性丙烯酸涂料的性能Table 2 Performances of waterborne acrylic paint

圖1 丙烯酸樹(shù)脂的制備Figure 1 Preparation of acrylic resin

2.2 填料的影響

填料主要從物理和化學(xué)兩個(gè)方面來(lái)改善涂料的防腐性能。與硫酸鋇相比，滑石粉、云母粉等片狀填料能更好地提供阻隔性能，減緩腐蝕物質(zhì)對(duì)基材的腐蝕。但是滑石粉和云母粉的加入對(duì)面漆的光澤會(huì)有影響，因此，需要根據(jù)具體需求選擇填料的種類(lèi)以及添加量。磷酸鋅等填料雖然能夠通過(guò)與金屬基材的反應(yīng)，使金屬鈍化，進(jìn)而提高其防腐性能，但是這樣會(huì)降低水性丙烯酸樹(shù)脂的穩(wěn)定性，這是因?yàn)榱姿徜\等填料的加入會(huì)產(chǎn)生Zn2+，進(jìn)而破壞乳液的穩(wěn)定性，因此在選擇磷酸鋅時(shí)，還需要考察其對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響。另一類(lèi)非常重要的填料是納米填料，如納米二氧化鈦等。納米粒子所具有的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)賦予其特殊的性質(zhì)，將納米粒子填充到涂料中來(lái)提高涂料的附著力，進(jìn)而提高防腐性能［8］。本研究中采用的填料微溶于水，為白色防銹顏料，在涂層下持續(xù)溶解時(shí)可電離出P3O105-，從而形成一種不溶的鈍化膜，鈍化膜的硬度高，附著力優(yōu)異。通過(guò)將上述環(huán)境友好型的防銹顏料進(jìn)行復(fù)合搭配，所得涂膜具有優(yōu)異的防腐蝕效果。

2.3 成膜助劑的影響

水性涂料的成膜方式與溶劑型涂料不同，主要是通過(guò)溶劑的蒸發(fā)，乳液粒子不斷靠近后緊密排列，再擠壓變形，最后成膜。在成膜時(shí)，借助成膜助劑將粒子進(jìn)行溶脹，從而使不同粒子進(jìn)行融合，形成致密的膜。成膜助劑的沸點(diǎn)通常較高，揮發(fā)速率較低。但若揮發(fā)速率過(guò)慢，則會(huì)影響漆膜的干燥速率。另外，成膜助劑的用量也非常重要，若用量過(guò)少，則影響成膜效率和成膜質(zhì)量；若用量過(guò)多，則影響干燥速率同時(shí)增加VOC含量。因此，成膜助劑的選擇至關(guān)重要。在本研究中，所選的助溶劑的醇酯十二，它既是聚合物的強(qiáng)溶劑，能降低聚合物的玻璃化溫度，同時(shí)又具有較好的相容性，易被樹(shù)脂吸附而有優(yōu)異的聚結(jié)性能，微弱的水溶性，優(yōu)良的揮發(fā)速度，成膜前保留在聚合物中，成膜后能完全揮發(fā)。

3 應(yīng)用

根據(jù)以上研究結(jié)果，按照表1配方研制出水性丙烯酸防腐面漆，按照集裝箱產(chǎn)品配套的要求進(jìn)行噴涂。具體配套工藝為：水性環(huán)氧富鋅底漆（30 μm）+水性環(huán)氧中間漆（40 μm）+水性丙烯酸面漆（40 μm）；烘干工藝為：底漆（60 ℃，20 min）+中間漆（55 ℃，30 min）+面漆（70 ℃，20 min）。施工完成后進(jìn)行配套涂層的性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水性集裝箱配套涂層的性能Table 3 Performances of waterborne container coating system

集裝箱涂料目前的主要難題：首先是在施工過(guò)程中，集裝箱面積大，側(cè)面垂直噴涂，當(dāng)噴涂漆膜較厚時(shí)，容易產(chǎn)生流掛；其次在集裝箱底漆、中涂和面漆施工過(guò)程中，必須對(duì)每一個(gè)涂裝工序進(jìn)行充分烘烤，加快干燥速度［9］，卻容易出現(xiàn)因涂膜表層和涂膜本體的干燥速度不一致而導(dǎo)致的針孔、開(kāi)裂、氣泡等涂膜弊病。因此，為了保證更好的施工性能，對(duì)面漆的干燥性和流掛性能要求較高。本研究中的水性丙烯酸面漆產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，施工便利，干燥較快，漆膜表面較好，完全能夠替代油性產(chǎn)品，在保證防腐性能的同時(shí)降低了VOC的排放。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水性丙烯酸樹(shù)脂、填料、成膜助劑等影響因素進(jìn)行研究，選擇了自交聯(lián)核殼結(jié)構(gòu)的苯丙乳液為成膜物，水解穩(wěn)定性好、揮發(fā)性低的醇酯十二作為成膜助劑，并通過(guò)填料、防銹顏料的合理復(fù)配，制備出了兼具防腐性能和施工性能的水性丙烯酸涂料，并成功應(yīng)用于集裝箱防腐領(lǐng)域。