一種低粘度高耐性的無溶劑環(huán)氧涂料

嚴(yán)夢華，余 飛，官 慧，雷德華，張習(xí)文

(廣州集泰化工股份有限公司，廣東 廣州 510530)

隨著社會的不斷進(jìn)步發(fā)展環(huán)保問題變得尤為重要，目前國家呼吁多使用環(huán)保型防腐涂料[1]。目前市面上常用的環(huán)保型防腐涂料有水性涂料、無溶劑涂料和粉末涂料等[2]。水性涂料以水為溶劑，在高濕的環(huán)境下，容易出現(xiàn)閃銹、干燥慢等現(xiàn)象；水性涂料容易受到天氣、地域的影響，嚴(yán)重影響水性涂料在工業(yè)防腐中的應(yīng)用。粉末涂料是不含有毒物質(zhì)、溶劑、揮發(fā)性物質(zhì)的“三無”環(huán)保型防腐涂料，但其固化溫度要求較高，限制了其應(yīng)用。無溶劑涂料以參與反應(yīng)的活性稀釋劑為溶劑，可以實現(xiàn)低VOC排放；在樹脂和固化劑反應(yīng)時，無氣體揮發(fā)，可以有效的解決產(chǎn)品針孔等問題[3]；并且涂層交聯(lián)密度高，讓其具有優(yōu)異的防腐性能。這些優(yōu)異的性能，讓無溶劑涂料在防腐領(lǐng)域中有廣泛的用途。本研究開發(fā)了一種低粘度高耐性的無溶劑環(huán)氧涂料，該涂料采用了優(yōu)選的低粘度環(huán)氧樹脂和低粘度環(huán)氧固化劑為主要成膜材料，并加入優(yōu)選的顏填料、活性稀釋劑、消泡劑、流平劑、偶聯(lián)劑分散而成，該涂料具有固體含量高、粘度低、固化速率快、強(qiáng)防腐蝕等優(yōu)異性能。

1 實 驗

1.1 原材料

環(huán)氧樹脂128、170，南亞電子材料有限公司；環(huán)氧樹脂815，廣州力寶時貿(mào)易發(fā)展有限公司；環(huán)氧樹脂8240，亨斯邁公司；環(huán)氧樹脂EV-2098，意爾孚化學(xué)有限公司；環(huán)氧固化劑715、717、730，常熟耐素生物材料科技有限公司；環(huán)氧固化劑6025、2008，安徽美東生物材料有限公司；環(huán)氧固化劑1104，浙江萬盛股份有限公司；環(huán)氧固化劑3060，卡德萊化工有限公司；環(huán)氧活性稀釋劑5110，浙江萬盛股份有限公司；環(huán)氧活性稀釋劑513，卡德萊化工有限公司；環(huán)氧活性稀釋劑690，蘇州市森菲達(dá)化工有限公司；環(huán)氧活性稀釋劑602A，常熟耐素生物材料科技有限公司；環(huán)氧活性稀釋劑CHY-277，湖北森茂精細(xì)化工有限公司；分散劑、硅微粉、消泡劑均為市售產(chǎn)品。

1.2 實驗儀器設(shè)備

攪拌研磨分散劑，標(biāo)格達(dá)精密儀器(廣州)有限公司；旋轉(zhuǎn)粘度計，Brookfield公司；精密鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；可程式鹽水噴霧試驗機(jī)，廣州眾志檢測儀器有限公司。

1.3 涂料配方

表1 無溶劑環(huán)氧涂料A組分和B組分配方Table 1 Formula of component A and component B of solvent-free epoxy paint

2 無溶劑環(huán)氧涂料的制備

無溶劑環(huán)氧涂料A組分的制備：首先將環(huán)氧樹脂和顏填料中的膨潤土在1000轉(zhuǎn)/min攪拌10 min，其次加入分散劑4205，攪拌5 min；再依次加入顏填料，調(diào)整攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/min，均勻分散，細(xì)度研磨至60μm以下。等主漆溫度降至30℃以下后，依次加入環(huán)氧活性稀釋劑、消泡劑、偶聯(lián)劑、流平劑，600轉(zhuǎn)/min攪拌30 min，檢驗后裝桶。

B組分的制備：原廠家發(fā)過來之后，直接使用，無需額外加工

3 涂料的施工工藝

3.1 A和B兩組分的配比

將A和B組分按質(zhì)量比(5～7):1或者體積比(3～5):1的比例配比，通過噴涂、刷涂、輥涂等方式涂敷于基材上固化成膜。

3.2 基材表面處理

為了讓涂層和底部基材接觸更完全，在施工之間對基材表面進(jìn)行除塵、除銹、除油等處理[4]。

3.3 施工時溫度的控制

無溶劑環(huán)氧涂料A組分粘度大，無法進(jìn)行普通的噴涂作業(yè)。需采用保溫雙管進(jìn)料在線混合的雙組分噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂。該設(shè)備有自動的加熱功能，在盛放A組分的管道中需要加熱50～80 ℃；B組分粘度低，無需加熱降低粘度。由于涂料A、B組分反應(yīng)速度快，在混合10 min內(nèi)需完成施工。

4 結(jié)果與討論

4.1 無溶劑環(huán)氧涂料的性能指標(biāo)及檢測結(jié)果

表2 無溶劑環(huán)氧涂料的性能指標(biāo)及試驗方法Table 2 Performance indexes and test methods of solvent-free epoxy coatings

4.2 環(huán)氧樹脂的優(yōu)選

無溶劑環(huán)氧涂料中環(huán)氧樹脂所占比例較大(40%～50%)，涂料的粘度隨樹脂的粘度變化而變化；樹脂的粘度變大，涂料的粘度增大；樹脂的粘度變小，涂料粘度減小。為了有效地降低涂料粘度，通常選用低分子量的環(huán)氧樹脂來制備無溶劑環(huán)氧涂料。常見的低分子量環(huán)氧樹脂有雙酚A型環(huán)氧樹脂、雙酚F型環(huán)氧樹脂、改性酚醛環(huán)氧樹脂和超支化環(huán)氧樹脂[5]。本文選取了雙酚A型環(huán)氧樹脂128、815，雙酚F型環(huán)氧樹脂170，改性酚醛環(huán)氧樹脂8240、超支化環(huán)氧樹脂EV-2098制備無溶劑環(huán)氧涂料并測試其性能，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同樹脂性能檢測的結(jié)果Table 3 Test results of different resin properties

由表3可得，從粘度分析，不同的環(huán)氧樹脂制備涂料的粘度不同。粘度高低的排列順序為EV-2098<170<8240和170<128和EV-2098<8240<815<128。EV-2098的粘度最低。根據(jù)耐防腐蝕性能分析，815、170、8240、EV-2098、8240和170最少有一項不滿足性能指標(biāo)要求，128和128：EV-2098組性能都能滿足性能要求。對比整體性能，優(yōu)選128：EV-2098=7:3混合樹脂為無溶劑環(huán)氧涂料的成膜樹脂。

4.3 環(huán)氧固化劑的優(yōu)選

環(huán)氧固化劑種類繁多且性能各異，為了選取一款無溶劑環(huán)氧固化劑，該固化劑可以和128:EV-2098質(zhì)量比=7:3共混環(huán)氧樹脂制備低粘度、快干、耐沖擊和強(qiáng)耐腐蝕性能的無溶劑環(huán)氧涂料。本文選取了7種無溶劑環(huán)氧固化劑715、730、717、6025、2008、1104、3060進(jìn)行篩選。A組分由128:EV-2098質(zhì)量比=7:3共混環(huán)氧樹脂制備，B組分為上述選取的固化劑。按照TDS計算出A、B組分最佳的質(zhì)量配比，制備樣板進(jìn)行性能測試。其中樣板的厚度皆為250～350 μm之間，測試結(jié)果如表4所述。

表4 不同固化劑制備的涂層性能測試結(jié)果Table 4 Performance test results of coatings prepared with different curing agents

由表4可得，從干燥時間分析，715、730、717、6025、1104的干燥時間都是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的(上文中提到，標(biāo)準(zhǔn)要求表干時間≤4 h，實干時間≤24 h)，干燥最快的是固化劑715和6025。從防腐蝕性能分析，固化劑715的性能優(yōu)于其他6款固化劑，且其性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，特別的其耐熱水性能和耐鹽霧遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)耐熱水，48 h；鹽霧1000 h)。綜合上述整體性能測試結(jié)果可得，環(huán)氧固化劑715配套128:EV-2098質(zhì)量比=7:3共混環(huán)氧樹脂可以制備出性能最佳的無溶劑環(huán)氧涂料。

4.4 環(huán)氧活性稀釋劑種類和用量的優(yōu)選

4.4.1 環(huán)氧活性稀釋劑種類的優(yōu)選

無溶劑環(huán)氧防腐涂料粘度高，不利于生產(chǎn)施工；并且環(huán)氧樹脂交聯(lián)密度高，涂層較脆；通過添加環(huán)氧活性稀釋劑來降低無溶劑環(huán)氧涂料的粘度，提升產(chǎn)品韌性[6]。常見的環(huán)氧活性稀釋劑有單官能團(tuán)環(huán)氧活性稀釋劑和多官能團(tuán)活性稀釋劑，單官能團(tuán)環(huán)氧活性稀釋劑為活性稀釋劑分子中只有一個環(huán)氧官能團(tuán)，多官能團(tuán)環(huán)氧活性稀釋劑為活性稀釋劑分子中含有兩個或者兩個以上環(huán)氧官能團(tuán)。采用優(yōu)選的環(huán)氧樹脂(128:EV-2098質(zhì)量比=7:3共混環(huán)氧樹脂)和固化劑715為主要成膜物質(zhì)，搭配合適的助劑和顏填料制備環(huán)氧涂料A組分和B組分。在A組分中加入10%(環(huán)氧樹脂的量)的不同種類的活性稀釋劑。對比加入不同種類的環(huán)氧活性稀釋劑的涂層(涂層厚度為250～350 μm)的性能測試結(jié)果，篩選出合適的活性稀釋劑。本文選取的5種活性稀釋劑，其中單官能團(tuán)活性稀釋劑為513、5110，690，多官能團(tuán)活性稀釋劑602A、CHY-277。性能測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同環(huán)氧活性稀釋劑性能測試結(jié)果Table 5 Test results of reactivity performance of different epoxies

續(xù)表5

由表5可得，在同一配方體系，環(huán)氧活性稀釋劑的稀釋能力與自身所帶環(huán)氧官能團(tuán)有關(guān)系，單官能團(tuán)環(huán)氧活性稀釋劑的稀釋劑能力比多環(huán)氧官能團(tuán)環(huán)氧活性稀釋劑強(qiáng)。幾組環(huán)氧活性稀釋劑的稀釋能力排序為5110>513>690>5110：602A>513：CHY-277>602A>CHY-277。其中5110的降粘效果最佳。通過干燥時間的對比發(fā)現(xiàn)，CHY-277和602A的干燥時間要優(yōu)于其他活性稀釋劑的，那是因為其內(nèi)帶有更多的環(huán)氧基團(tuán)，可以更快的參與固化劑時間。所選的活性稀釋劑都可以通過耐沖擊測試，活性稀釋劑可以有效提神涂層增韌，從而提升產(chǎn)品的耐沖擊性能。從防腐蝕性能來看，只有5110可以滿足性能指標(biāo)要求，其他幾組環(huán)氧活性稀釋劑最少有一組測試未能滿足指標(biāo)性能要求。綜合稀釋能力和對產(chǎn)品性能的影響，優(yōu)選活性稀釋劑5110為無溶劑環(huán)氧涂料的活性稀釋劑。

4.4.2 活性稀釋劑的用量的選擇

活性稀釋劑可以有效降低產(chǎn)品粘度和增韌涂層，但由于其本身參與固化反應(yīng)，即活性稀釋劑的用量對無溶劑環(huán)氧涂料的性能會產(chǎn)生重要的影響。為了篩選合適的環(huán)氧活性稀釋劑的添加量，采用優(yōu)選的混合樹脂(EV-2098質(zhì)量比=7:3共混環(huán)氧樹脂)和固化劑715，加以合適的助劑和顏填料，制備成A組分和B組分，并往A組分添加0%、5%、10%、15%、20%、25%(環(huán)氧活性稀釋劑的用量是占環(huán)氧樹脂的量)環(huán)氧活性稀釋劑5110，按照比例制成樣板后，測試涂層性能。測試結(jié)果如表6所示。

表6 環(huán)氧活性稀釋劑5110的用量對無溶劑環(huán)氧涂料性能的影響Table 6 Effect of the amount of epoxy active diluent 5110 on the performance of solvent-free epoxy paint

由表6可得，隨著環(huán)氧活性稀釋劑的用量增大，無溶劑環(huán)氧防腐涂料的粘度降低。在5110的添加量為0%，涂料粘度為36023 cps；當(dāng)添加量為25%，涂料的粘度為12062 cps。從干燥時間來分析，涂層表干時間和實干時間隨著5110的添加量增多而延長，是因為環(huán)氧活性稀釋劑會延長涂料的固化反應(yīng)。從沖擊結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，未添加5110的涂層沖擊測試中發(fā)現(xiàn)裂紋，不能滿足性能指標(biāo)要求。而添加5110后，涂層耐沖擊都可以滿足要求。從耐腐蝕性能分析，添加0%，5%，10%的涂層可以滿足性能測試要求，其他幾組性能不滿足要求。產(chǎn)品的防腐蝕性能隨著5110用量增大而降低。5%的用量比10%的用量盡管粘度更高，但是其性能更加優(yōu)異。綜合以上測試結(jié)果，優(yōu)選環(huán)氧活性稀釋劑5110的添加量為5%。

5 顏填料和助劑的選擇

填料選用硅微粉，其具有良好的填充性、流動性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以有效的提升涂層的耐腐蝕性能和耐熱性[7]，同時其具有低吸油值，可以有效的降低涂料成本。為了減少生產(chǎn)施工過程中產(chǎn)生的氣泡對產(chǎn)品性能的影響，在生產(chǎn)中加入消泡劑。為了增加產(chǎn)品的流平性，在生產(chǎn)時加入流平劑。

6 結(jié) 論

通過對環(huán)氧樹脂、環(huán)氧固化劑、活性稀釋劑種類及添加量等主要成分的篩選設(shè)計出一款無溶劑環(huán)氧涂料。研究發(fā)現(xiàn)選取128和EV-2098質(zhì)量比7:3混合樹脂為成膜樹脂以及與其成膜性好且性能優(yōu)異的固化劑715為主要成膜物質(zhì)，添加環(huán)氧活性稀釋劑5110對涂料降粘和增韌，當(dāng)5110的添加量為混合樹脂的5%。涂料具有低粘度，快干，耐沖擊，耐酸堿性、耐鹽霧性和耐鹽水性好的優(yōu)點。