水性環(huán)氧富鋅底漆的制備及性能研究

朱結東 掌婷婷

上海華誼精細化工有限公司（上海 200062）

溶劑型環(huán)氧富鋅底漆常用作重防腐配套體系的底漆，具有表干快、附著力好、耐腐蝕性強等優(yōu)點[1-2]，被廣泛用于集裝箱、石化儲罐、海洋平臺和大型橋梁等重度腐蝕環(huán)境中的表面防護。

近幾年隨著涂料行業(yè)環(huán)保的要求，重防腐配套體系的水性化得到了大力發(fā)展，其中水性雙組分環(huán)氧富鋅底漆[3-6]也取得了很大進步。水性環(huán)氧富鋅底漆是以水性環(huán)氧樹脂與胺類固化劑作為成膜物質，鋅粉作為防銹顏料的一種長效防腐涂料。其與溶劑型環(huán)氧富鋅底漆相同，漆膜具有較好的附著力、耐水及耐腐蝕性能。但水性漆由于水的存在，漆膜往往干性慢，早期耐水性較差，影響施工和最終漆膜的性能。通過選擇不同種類的環(huán)氧樹脂、固化劑、防銹顏料、填料以及防閃銹劑進行配方設計，開發(fā)出具有較好施工性能和防腐性能的水性環(huán)氧富鋅底漆。

1 實驗部分

1.1 主要原料

水性環(huán)氧樹脂STW600、STW603H，胺類固化劑STW703B、STW703D，上海華誼精細化工有限公司；防閃銹劑C4E，德國Straetmans High TAC GmbH公司；防閃銹劑FRI1030，上海杰又杰新材料科技有限公司；助溶劑、分散劑、鋅粉、磷鐵粉、重晶石粉、硅微粉、膨潤土、氣相二氧化硅、亞硝酸鈉，市售；去離子水，自制。

1.2 實驗設備

JA5001電子天平，上海精天電子儀器有限公司；高速分散機，上海賽杰化工設備有限公司；Q-FOG鹽霧箱，美國Q-Lab公司。

1.3 涂料參考配方

水性環(huán)氧富鋅底漆的參考配方見表1。

表1 水性環(huán)氧富鋅底漆參考配方

1.4 水性環(huán)氧富鋅底漆制備工藝

（1）A組分制備

將水性環(huán)氧樹脂、助溶劑、分散劑加入帶冷卻水夾套的研磨缸中，通冷卻水保持缸內物料溫度低于40℃。開啟中速攪拌10～20 min，使物料充分混合均勻。低速攪拌下緩慢加入有機膨潤土，高速分散30 min；加入防銹顏料和其他填料，高速分散30 min；加入氣相二氧化硅，高速分散20 min；檢測粒徑小于80μm后過濾出料。

（2）B組分制備

固化劑用去離子水稀釋，然后加入防閃銹劑，攪拌均勻，備用。

1.5 樣板制備及性能測試

（1）樣板制備

將A，B組分按20∶1的質量比攪拌混合均勻，用去離子水稀釋至涂-4杯黏度30～40 s，過濾后采用空氣噴涂制備測試樣板。

閃銹抑制性、早期耐水性測試樣板以鋼板作底材，先用砂紙打磨，再用乙醇擦拭干凈，噴涂后的樣板在（23±2）℃，50%±5%濕度的恒溫室放置24 h后測試。

耐沖擊性測試樣板，馬口鐵底材，先用砂紙打磨，再用乙醇擦拭干凈，噴涂后的樣板在（23±2）℃，50%±5%濕度的恒溫室養(yǎng)護7 d后測試。

附著力、耐鹽霧性測試樣板，噴砂板底材，用乙醇沖洗除去表面的油，晾干，噴涂后的樣板在（23±2）℃，50%±5%濕度的恒溫室養(yǎng)護7天后測試。

（2）檢測項目及方法

閃銹抑制性、早期耐水性按照GB/T 3668—2020《富鋅底漆》檢測，鋼板底材，膜厚（45±5）μm；耐沖擊性按照GB/T 1732—2020《漆膜耐沖擊測定法》檢測，馬口鐵板，膜厚（23±3）μm；附著力按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗》檢測，噴砂鋼板，膜厚（90±10）μm；耐鹽霧性按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》檢測；噴砂鋼板，膜厚（90±10）μm。

2 結果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂的影響

水性環(huán)氧樹脂作為主要成膜物質，對漆膜性能的影響很大，制漆時需要很好地包覆鋅粉，這樣固化后才能成致密漆膜。實驗選用了兩種親水改性環(huán)氧樹脂，分別為較大相對分子質量的STW600和較小相對分子質量的STW603H。STW600的親水性強于STW603H?？紤]到漆膜需要較快的干性和較好的韌性，優(yōu)選大相對分子質量的STW600作為主要樹脂成分，同時摻混一定比例的STW603H，以降低助溶劑用量，制備較低揮發(fā)性有機化合物（VOC）含量的水性環(huán)氧富鋅底漆。

采用STW703B固化劑、NB45填料、亞硝酸鈉防閃銹劑作為主要成分，研究了STW600不同用量對漆膜性能的影響，結果如表2所示。當主漆中STW600的占比為11%時，漆膜的附著力和耐沖擊性良好，耐鹽霧1 000 h后板面保持良好，綜合性能最佳。STW600占比過多或過少都會引起耐鹽霧性能下降，可能是因為配方中樹脂含量較低時，樹脂對鋅粉的包裹效果不佳，漆膜容易出現(xiàn)起泡銹蝕缺陷；當樹脂用量較高時，漆膜整體的親水性上升，影響耐鹽霧性能。

表2 主漆中STW600樹脂的用量對漆膜性能的影響

當制備較低VOC含量的水性環(huán)氧富鋅底漆時，需要降低配方中的助溶劑用量，因為助溶劑在固化成膜后直接揮發(fā)，形成VOC排放，減少助溶劑用量就意味著降低VOC。但直接減少助溶劑，會造成主漆黏度過大無法操作，所以可以使用STW600和STW603H的混合樹脂。STW603H黏度低，可有效降低主漆的黏度，同時能固化成膜，不形成VOC排放。但STW603H為小分子環(huán)氧樹脂，會降低固化速率，加入量越多，漆膜干性越慢，當STW603H加入量到一定程度就會影響漆膜的早期耐水性，同時會影響施工性能以及漆膜的附著力、耐鹽霧性能。如表3所示，當STW603H在樹脂中的質量分數(shù)在23%以下時，漆膜的各項性能均未受到影響；當達到27%時，漆膜的早期耐水性、附著力和耐鹽霧性能均有所下降。所以，需要控制STW603H的添加質量分數(shù)在23%以下。

表3 STW603H的加入量對漆膜性能的影響

2.2 固化劑種類的影響

水性環(huán)氧富鋅底漆中的固化劑不僅起到固化交聯(lián)作用，在兩組分混合過程中也起到乳化水性環(huán)氧樹脂的作用，若選用不當會造成鋅粉與樹脂的相分離，出現(xiàn)沉降或堵槍等情況。所以在選擇固化劑時，需要先驗證其與環(huán)氧樹脂之間的適配性。可通過觀察混合狀態(tài)實現(xiàn)，均一透明表明適配性好。為了獲得較快的表干速率，一般選用反應速率較快的固化劑。以STW600作為水性環(huán)氧樹脂、NB45為填料、亞硝酸鈉為防閃銹劑，比較了兩種適配性較好的固化劑STW703B和STW703D的影響。如表4所示，采用STW703B和STW703D的漆膜早期耐水性有明顯差異。STW703B的反應速率快，漆膜的早期耐水性無異常。STW703D反應速率慢，漆膜表面出現(xiàn)較多銹點，是因為采用STW703D的漆膜24 h未固化完全，漆膜的致密性低，從而影響漆膜的早期耐水性。但經過長時間固化，漆膜的耐沖擊性能、附著力以及耐鹽霧性能沒有明顯差異。

表4 不同固化劑對漆膜性能的影響

2.3 填料種類的影響

制備不同鋅含量的環(huán)氧富鋅底漆，保持顏基比不變，需要在配方中添加一定數(shù)量的填料。實驗研究了磷鐵粉（6.5和18μm）、重晶石粉（45μm）、硅微粉（10μm）對漆膜耐鹽霧性能的影響，結果如表5所示。由表5可以看出，采用18μm的磷鐵粉，漆膜耐鹽霧性能未通過1 000 h測試，使用其他填料均能通過測試。重晶石粉市場單價最低，性價比最高，實際配方中較常使用。

表5 不同填料對漆膜耐鹽霧性能的影響

2.4 防閃銹劑種類的影響

在高溫高濕條件下進行水性涂裝時，漆膜表面極易出現(xiàn)閃銹。為了防止閃銹，需要在涂料中加入一定量的防閃銹劑。實驗研究了3種防閃銹劑對漆膜的抗閃銹性能和耐鹽霧性能的影響，結果如表6所示?？梢钥闯觯珻4E和FRI1030的抗閃銹能力相當，且優(yōu)于亞硝酸鈉。耐鹽霧結果表明，使用亞硝酸鈉的漆膜有較多銹點，F(xiàn)RI1030的漆膜有零星銹點，C4E的漆膜則無銹點且劃線處的銹蝕寬度也較窄。因此，C4E綜合效果最佳。

表6 不同防閃銹劑對漆膜性能的影響

綜合以上結果，采用11%的水性環(huán)氧樹脂STW600，以STW703B為固化劑、重晶石為填料、C4E為防銹顏料，可制備出綜合性能較佳的水性環(huán)氧富鋅底漆。采用質量配比77∶23的STW600和STW603H混合樹脂，可降低助溶劑用量，制備綜合性能優(yōu)異的較低VOC含量的水性環(huán)氧富鋅底漆，漆 膜性能如表7所示。

表7 水性環(huán)氧富鋅底漆漆膜的典型性能

3 結論

（1）采用水性環(huán)氧樹脂STW600直接與鋅粉、填料和助劑一起高速混合制漆，配套固化劑STW703B，可制備性能優(yōu)異的雙組分水性環(huán)氧富鋅底漆。實驗范圍內，采用11%的水性環(huán)氧樹脂STW600，以重晶石為填料、C4E為防銹顏料，最終漆膜綜合性能最佳。

（2）使用STW600和STW603H的混合樹脂替代部分助溶劑，可制備較低VOC含量的水性環(huán)氧富鋅底漆，當STW603H在樹脂中的質量分數(shù)在23%以下時，漆膜的性能未受影響。