快干型水性環(huán)氧乳液的制備及應(yīng)用研究

朱結(jié)東 楊挺秀 掌婷婷

上海華誼精細(xì)化工有限公司（上海 200062）

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各行各業(yè)陸續(xù)出臺(tái)環(huán)保政策。涉及工程機(jī)械、機(jī)車零部件、軌道交通的工業(yè)防腐由油性轉(zhuǎn)為水性越來(lái)越成為一種趨勢(shì)[1-2]。為了保證涂裝效率，水性涂料需要保持與油性漆大致相當(dāng)?shù)氖┕ば阅?，特別是干性，這給水性涂料帶來(lái)不小的技術(shù)挑戰(zhàn)。眾所周知，水的揮發(fā)速率低于二甲苯、正丁醇等有機(jī)溶劑。為了加快涂裝，水性涂裝一般采用濕碰濕工藝，即底漆表干后噴涂面漆或中間漆，這就要求作為底漆的水性環(huán)氧體系具有快速表干的性能，同時(shí)需要保證最終漆膜具有優(yōu)異的防腐性能及機(jī)械性能[3]。

水性環(huán)氧防銹底漆以水作為分散介質(zhì)，以環(huán)氧乳液[4-5]與固化劑為成膜物質(zhì)，在固化過(guò)程中形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的附著力、耐水和耐腐蝕性能。然而，水性環(huán)氧乳液為了獲得較好的穩(wěn)定性和顆粒度，一般采用助溶劑溶解中小相對(duì)分子質(zhì)量的基礎(chǔ)環(huán)氧樹脂作為主體樹脂。這種乳液通常表干較慢，不適合濕碰濕工藝施工。本研究開(kāi)發(fā)了一種快速干燥、適合濕碰濕工藝的水性環(huán)氧乳液，并探討了水性環(huán)氧底漆的不同顏基比和不同固化劑對(duì)最終漆膜性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

原材料：基礎(chǔ)環(huán)氧樹脂（904，901和128），南亞電子材料（昆山）有限公司；環(huán)氧乳化劑，STW703D固化劑，自制；競(jìng)品固化劑，助溶劑，分散劑，消泡劑，附著力促進(jìn)劑，鈦白粉，氧化鐵黑，防銹顏料，重晶石粉，超細(xì)滑石粉，基材潤(rùn)濕劑，增稠劑，去離子水等，市售。

1.2 主要設(shè)備儀器

JA5001電子天平，上海精天電子儀器有限公司；ZNHW智能恒溫電熱套，上海潁漢化工科技有限公司；SFJ-400強(qiáng)力恒速攪拌機(jī)，上海天辰現(xiàn)代環(huán)境技術(shù)有限公司；CORIOCD加熱恒溫浴槽，優(yōu)萊博公司；Q-FOG鹽霧箱，美國(guó)Q-Lab公司。

1.3 乳液和涂料制備工藝

1.3.1 水性快干環(huán)氧乳液的制備

將一定配比的904，901，128基礎(chǔ)環(huán)氧樹脂和助溶劑丙二醇甲醚按比例加入乳化釜中，加熱至物料完全溶解；攪拌均勻后降溫至50℃，加入自制的乳化劑，攪拌均勻，在一定溫度范圍條件下緩慢加入計(jì)量的去離子水，繼續(xù)攪拌，至物料由透明緩慢變成乳白色；保持高速攪拌一段時(shí)間后，緩慢加入去離子水稀釋至工藝規(guī)定的固含量，降溫過(guò)濾出料，得到水性快干環(huán)氧乳液。

1.3.2 水性快干環(huán)氧防銹底漆配方

水性快干環(huán)氧防銹底漆的參考配方見(jiàn)表1。

表1 水性快干環(huán)氧防銹底漆的典型配方

1.3.3 水性快干環(huán)氧防銹底漆制備工藝

（1）A組分制備

研磨水漿：將去離子水、助溶劑、分散劑、消泡劑加入到研磨缸中，在攪拌狀態(tài)下，加入鈦白粉、氧化鐵黑、防銹顏料、重晶石粉、滑石粉等，待無(wú)粉狀物時(shí)，將研磨缸放置到籃式砂磨機(jī)上，通循環(huán)冷卻水，進(jìn)行研磨分散，待粒度小于30μm后，過(guò)濾備用。

制漆：在研磨缸中加入水性環(huán)氧乳液、顏填料水漿、附著力促進(jìn)劑、基材潤(rùn)濕劑、增稠劑，充分?jǐn)嚢? h，過(guò)濾出料。

（2）B組分制備

用去離子水稀釋固化劑，加入防閃銹劑，攪拌均勻，備用。

（3）雙組分混合

將A，B組分按質(zhì)量比5∶1混合，攪拌均勻，并用去離子水稀釋到涂-4杯黏度30～40 s，然后用120μm濾布過(guò)濾。

1.4 制板及漆膜性能測(cè)試

1.4.1 樣板制備

采用空氣噴涂水性快干環(huán)氧防銹底漆制備測(cè)試樣板。在噴涂前，用去離子水稀釋底漆至涂-4杯黏度30～40 s。機(jī)械性能測(cè)試樣板：采用馬口鐵，先用砂紙打磨，再用乙醇擦拭干凈。耐鹽霧性測(cè)試樣板：采用1 mm厚的冷軋板，先用乙醇除去表面的油，然后用砂紙打磨，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(hù)7天，然后進(jìn)行封邊處理。

1.4.2 性能測(cè)試

檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)方法見(jiàn)表2。

表2 漆膜檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)方法

2 結(jié)果與討論

涂裝時(shí)采用濕碰濕工藝，一般在噴涂底漆后常溫流平10～20 min或低溫烘干5～10 min，確保漆膜表干再噴涂下一道面漆或中間漆，以確保整個(gè)配套漆膜能正常干燥，不流掛，無(wú)表面缺陷。常規(guī)的水性環(huán)氧乳液采用的基礎(chǔ)環(huán)氧乳液相對(duì)分子質(zhì)量偏低，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法使漆膜表干，噴涂面漆后出現(xiàn)漆膜流掛或咬底等缺陷，無(wú)法滿足濕碰濕工藝施工要求。快干型水性環(huán)氧乳液采用了部分相對(duì)分子質(zhì)量大的環(huán)氧樹脂，使乳液中基礎(chǔ)環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）較高，從而使漆膜在常溫下具有一定的硬度，同時(shí)采用少量助溶劑，使漆膜表面的水分和溶劑揮發(fā)較快，快速表干，達(dá)到濕碰濕工藝施工要求。

2.1 不同顏基比對(duì)漆膜性能的影響

水性快干環(huán)氧乳液含有相對(duì)分子質(zhì)量大的環(huán)氧樹脂，使得基礎(chǔ)環(huán)氧樹脂本身Tg偏高，成膜時(shí)起始硬度高，干性快。為了使漆膜具備更大的表干速率，一般制漆配方設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用較高比例的顏填料；但高顏基比往往會(huì)造成漆膜耐性較差，如何平衡這二者之間的關(guān)系，找到合適顏基比的制漆配方具有實(shí)際應(yīng)用研究意義。

實(shí)驗(yàn)按表1典型配方中所列組分制備主漆，環(huán)氧基與活潑氫的化學(xué)計(jì)量比為1.2∶1，配套STW703D固化劑，考察了顏基比分別是3.3，2.1和1.4的水性環(huán)氧快干防銹底漆的漆膜性能，結(jié)果如表3所示。

從表3可看出，隨著顏基比降低，主漆中的乳液含量增加，表干時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，但均能在30 min內(nèi)表干，柔韌性和附著力無(wú)明顯差異，硬度由2H降低至H。當(dāng)顏基比為3.3時(shí)，劃線耐鹽霧樣板在250 h時(shí)出現(xiàn)多處銹點(diǎn)，可能由漆膜顏基比過(guò)高，樹脂未能有效形成致密網(wǎng)絡(luò)所致。當(dāng)顏基比為1.4時(shí)，漆膜耐水7 d后附著力等級(jí)為1級(jí)，耐鹽霧430 h后剝離2 mm，低于顏基比2.1的樣板，可能由主漆中環(huán)氧樹脂量過(guò)高造成漆膜整體親水性過(guò)強(qiáng)所致。以上可看出，當(dāng)顏基比為2.1時(shí)，所得漆膜綜合性能最佳，顏基比過(guò)低或過(guò)高均不合適。

表3 不同顏基比對(duì)漆膜性能的影響

2.2 不同固化劑種類對(duì)漆膜性能的影響

采用快干環(huán)氧乳液制備的水性環(huán)氧底漆干燥較快，漆膜硬度能快速上升，但Tg高易導(dǎo)致漆膜偏脆，影響附著力、耐水和耐鹽霧等性能。這就需要選用具有一定柔性的胺類固化劑，以便于快干乳液固化后整個(gè)漆膜的樹脂網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)一定的韌性。實(shí)驗(yàn)采用顏基比為2.1的配方，保持環(huán)氧基團(tuán)與活潑氫的計(jì)量比為1.2的條件，配套不同種類的固化劑，考察不同固化劑對(duì)漆膜性能的影響，結(jié)果如表4所示。

從表4可看出，在快干環(huán)氧乳液體系中，搭配STW703D的漆膜綜合性能最佳；使用競(jìng)品固化劑1#的漆膜干性最慢，影響濕碰濕工藝施工效果，但漆膜的耐鹽霧性能最佳；采用競(jìng)品固化劑2#的漆膜硬度最高，表干適中，但耐鹽霧性能最差。表干速率不同的主要原因在于各種固化劑中采用的有機(jī)胺種類有所差異：STW703D和競(jìng)品固化劑2#所采用的有機(jī)胺為間苯二甲胺，反應(yīng)速率要快于競(jìng)品固化劑1#中的異氟二酮二胺。耐鹽霧性能則跟固化劑提供的漆膜整體柔韌度有關(guān)，采用對(duì)比競(jìng)品固化劑1#的漆膜與采用STW703D的漆膜相當(dāng)，采用對(duì)比競(jìng)品固化劑2#的漆膜則最硬，已經(jīng)影響到耐鹽霧性能。從以上分析可看出，采用STW703D固化劑與快干環(huán)氧乳液配套的水性快干環(huán)氧防銹底漆的漆膜綜合性能最佳。

表4 不同固化劑對(duì)漆膜性能的影響

3 結(jié)論

選用部分相對(duì)分子質(zhì)量大的混合環(huán)氧樹脂，采用外乳化工藝制備出快干型水性環(huán)氧乳液，并用其制備水性快干環(huán)氧防銹底漆，考察了不同顏基比和不同固化劑種類對(duì)水性快干環(huán)氧底漆最終漆膜性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用顏基比2.1，與STW703D固化劑配套，最終漆膜綜合性能最佳。漆膜表干時(shí)間為20 min，劃線耐鹽霧性能達(dá)到430 h以上，適合采用濕碰濕工藝涂裝，能滿足工程機(jī)械、一般軌道交通及機(jī)車零部件等行業(yè)的防腐要求。