鋼表面防腐用的環(huán)氧型防腐涂料制備及性能研究*

饒 蓮

（烏魯木齊職業(yè)大學，新疆 烏魯木齊 830000）

鋼結(jié)構(gòu)具有良好的承載性能和力學性能，且施工簡單、易于制造，常用于建筑基本結(jié)構(gòu)。然而，由于鋼結(jié)構(gòu)表面易腐蝕，嚴重縮短了建筑的使用年限，造成嚴重的經(jīng)濟損失和金屬資源浪費。因此，加強鋼結(jié)構(gòu)表面防護，提高鋼表面防腐性能，對延長鋼材料及鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用壽命和減小金屬腐蝕帶來的經(jīng)濟損失具有重要的意義。目前，常用的鋼結(jié)構(gòu)等建筑用金屬防腐蝕的方法主要有在金屬表面涂刷粉末涂料、防腐涂料以及其改性涂料，如趙焰峰等[1]通過分析油氣鉆采用油管的腐蝕機理，采用粉末涂料對油管進行涂刷，實現(xiàn)了油氣油管的有效防護；李紹龍等[2]通過對粉末涂料進行增強增韌，研制出一種用于民機復合材料艙板的有機硅雜化涂料，提高了粉末涂料的耐沖擊性。但該類防腐涂料成本較高，在鋼結(jié)構(gòu)等建筑用金屬防腐中應(yīng)用較少。水性涂料憑借低成本、高性能的特點，被廣泛應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)中。但傳統(tǒng)的水性涂料主要是以單組份為主，這往往造成涂料耐腐蝕性等性能不高。因此，本試驗重點結(jié)合雙組份涂料的優(yōu)勢，制備一種建筑用的水性復合雙組份環(huán)氧型防腐涂料，并探討其防腐性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

水性環(huán)氧乳液、水性環(huán)氧乳液，廣州聯(lián)固化學集團；脫脂劑A、脫脂劑B，上海帕卡瀨精有限公司；消泡劑、分散劑、潤濕劑，上海泰格聚合物技術(shù)有限公司；KH550（南京聯(lián)硅化工有限公司）；BaSO4（長興晨明化工有限公司），以上試劑均為工業(yè)純；無水乙醇（AR 國藥集團化學試劑有限公司）。

Nicolet 6700 型傅立葉紅外光譜儀（深圳市瑞盛科技有限公司）；QFZ-II 型漆膜附著力試驗儀（上海樂傲試驗儀器有限公司）；QCJ 型漆膜沖擊器（天津市世博偉業(yè)化玻儀器有限公司）；CHI660-E 型電化學工作站（北京世貿(mào)遠東科學儀器有限公司）；DCTC-1200P 型鹽霧試驗箱（重慶四達(萬達)實驗儀器有限公司）；NDJ-5S 型數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計（ATAGO中國分公司）。

1.2 涂料制備

（1）將消泡劑、分散劑、潤濕劑、納米ZnO 和水倒入攪拌機，以500r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌8min 左右；

（2）先后加入氧化鐵紅、滑石粉、BaSO4等涂料顏填料，以1500r·min-1的轉(zhuǎn)速分散10min 后，加入800g 鋯珠研磨1h，通冷卻水；

（3）加入水性環(huán)氧乳液2060H 并以1000r·min-1轉(zhuǎn)速攪拌15min 后，加入三聚磷酸鋁和云母粉，繼續(xù)攪拌20min，并根據(jù)混合物黏度加入適量增稠劑；

（4）200～400r·min-1轉(zhuǎn)速攪拌30min ，以消除氣泡；

（5）采用100 目紗布過濾消泡后，產(chǎn)物攪拌均勻，得到涂料A 組分；

（6）加入合適配比[6]的水性環(huán)氧固化劑BC901和等質(zhì)量分數(shù)的水（B 組分），得到雙組份水性環(huán)氧防腐涂料。

將涂料刷涂于基材表面，并在室溫條件下干燥。待漆膜實干后，對基材進行性能測試。

1.3 性能測試

性能測試主要包括涂料固含量（X）、乳液環(huán)氧值（E）、固化劑胺值（N）的測定，其計算方法如式（1）～（3）。

式中 W1：烘烤后培養(yǎng)皿與涂料質(zhì)量和，g；W：培養(yǎng)皿質(zhì)量，g；G：烘烤前涂料質(zhì)量，g；V1、V2：空白試樣和試驗試樣NaOH 的體積，mL；m：試樣質(zhì)量，g；CNaOH：NaOH 物質(zhì)量濃度，mol·L-1；C：HCl 濃度，mol·L-1；V：HCl 用量，mL；56.11：KOH 摩爾質(zhì)量，g·mol-1。

除以上測試外，還對涂料進行了耐鹽霧、電化學腐蝕和熱穩(wěn)定性的測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂料助劑用量對涂料性能影響

2.1.1 正交實驗因素確定 以水性環(huán)氧乳液用量（A）、納米ZnO 用量（B）、消泡劑用量（C）、三聚磷酸鋁用量（D）、分散劑用量（E）為影響因素，采用正交試驗法建立正交試驗表，見表1。

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Orthogonal factor table

主要測試涂料的耐堿性能（5% NaOH 溶液）和耐鹽水性能（3.5% NaCl 溶液），并對其進行綜合打分。綜合打分=堿溶液耐腐蝕時間×0.5+鹽水耐腐蝕時間×0.5。

2.1.2 正交試驗方案與極差分析 表2 為涂料助劑用量對涂料性能正交實驗的方案與極差分析。

由表2 可知，不同因素的耐腐蝕性極差為RC＞RA＞RD＞RB＞RE，說明各因素對涂料耐腐蝕性的影響為C＞A＞D＞B＞E；消泡劑極差最大，水性環(huán)氧乳液和三聚磷酸鋁極差次之，分散劑和納米ZnO 極差最小，說明消泡劑對涂料的耐腐蝕性影響最大，水性環(huán)氧乳液和三聚磷酸鋁的影響次之，分散劑和納米ZnO 的影響最?。幌輨〤3水平時，水性環(huán)氧乳液用量為A1，三聚磷酸鋁用量為D2，分散劑用量為B2，納米ZnO 用量為E2，即最佳方案為A1B2C3D2E2方案，此時的涂料涂膜外觀深紅色，表面平整且致密，膜厚（0.12±0.02）mm，且在3.5% NaCl 溶液中浸泡時間達到國家標準[6]。

表2 正交試驗方案與極差分析Tab.2 Orthogonal test scheme and range analysis

綜上可知，水性環(huán)氧乳液用量、納米ZnO 用量、消泡劑用量、三聚磷酸鋁用量、分散劑用量分別為40（wt）%、0.3（wt）%、0.4（wt）%、5（wt）%、0.2（wt）%為實驗最優(yōu)方案。因此，在此基礎(chǔ)上進一步研究顏填料體積濃度對涂料性能的影響。

2.2 涂料顏填料體積濃度對涂料性能影響

顏填料體積濃度（PVC）對雙組份防腐涂料耐腐蝕性能具有較大的影響，當顏填料體積濃度過大時，會降低涂料自身的致密性和耐久性及干燥時間，進而影響涂料涂膜的試用期和光澤度；當顏填料體積濃度過低時，會造成顏料顆粒分散不均，難以發(fā)揮涂料涂膜性能[7,8]。因此，為進一步分析顏填料體積濃度對涂料性能的影響，研究以定值水性環(huán)氧乳液和水性環(huán)氧固化劑為基料，分析不同體積濃度的氧化鐵紅、滑石粉、BaSO4、云母粉、三聚磷酸鋁作為顏填料時，對涂料涂層耐鹽霧性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 PVC 對涂料涂層耐鹽霧性能的影響Fig.1 Influence of PVC on salt spray resistance of coating

由圖1 可知，當PVC 小于40%時，涂料涂層耐鹽霧性能隨顏料體積濃度的增加逐漸增強；當40%＜PVC＜55%時，涂料涂層耐鹽霧性能隨顏料體積濃度的增加逐漸減弱。分析其原因是，當顏填料開始增加時，成膜物質(zhì)對顏填料進行了包裹，提高了涂料涂膜的耐腐蝕性能，但當顏填料增加到一定量后，乳液不能完全包裹填料，增加了涂料涂膜內(nèi)部空隙，導致涂料涂層致密性降低，使腐蝕介質(zhì)與涂層內(nèi)部接觸，進而降低了其耐腐蝕性能。當36%＜PVC＜44%時，涂料涂層耐鹽霧性能大于400h，因此，可確定PVC 含量為36%＜PVC＜44%，即氧化鐵紅的含量為11%～13%，滑石粉含量為5%～6%，云母粉含量為3%～4%，三聚磷酸鋁含量為5%時，涂料涂層的耐鹽霧性能最好。

2.3 水性復合雙組份環(huán)氧型涂料最佳配方

綜上可得水性復合雙組份環(huán)氧型涂料的最佳配方，見表3。

表3 水性復合雙組份環(huán)氧型涂料的最佳配方Tab.3 Optimal formulation of water-based composite two-component epoxy coating

2.4 水性復合雙組份環(huán)氧型涂料性能測試

采用上述最佳水性復合雙組份環(huán)氧型涂料配方制備的涂料對板材進行涂刷，并根據(jù)“建筑用鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料”標準測試涂料狀態(tài)、施工性等基本性能進行測試，結(jié)果見表4。

表4 涂料基本性能測試結(jié)果Tab.4 Test results of basic properties of coatings

由表4 可知，本研究配方制備的涂料基本性能良好，涂料無硬塊且分散均勻，施工過程未出現(xiàn)障礙，涂膜外觀正常，漆膜表干時間和實干時間、耐沖擊性、耐酸性、耐堿性、耐鹽水性均達到《JG/T224-2007 建筑用鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料》標準。

2.5 水性復合雙組份環(huán)氧型涂料電化學性能測試

為進一步驗證本研究水性復合雙組份環(huán)氧型涂料的耐腐蝕性能，實驗對制備的涂料進行了電化學性能測試。將制備的涂料涂刷于板材，并在3.5%NaOH 溶液中浸泡24h，測得其Tafel 曲線，并將其與同等條件下浸泡后的空白板和油漆圖板Tafel 曲線進行比較，結(jié)果見圖2。

圖2 Tafel 曲線圖Fig.2 Tafel curve

由圖2 可知，相較于空白板，經(jīng)涂料涂刷的板材腐蝕電位發(fā)生了正移，Tafel 曲線兩極移向電流密度較小的方向，說明防腐涂層對腐蝕反應(yīng)具有一定的抑制作用，增強了基板的耐腐蝕性能[9]。

表5 為Tafel 曲線參數(shù)。

表5 Tafel 曲線參數(shù)Tab.5 Parameters of Tafel curve

由表5 可知，不同油漆漆膜和本研究制備的水性復合雙組份環(huán)氧型涂料漆膜，腐蝕電流和極化阻值不同，本研究制備的涂料腐蝕電流密度更低，極化電阻阻值更大，說明本研究制備的涂料耐腐蝕性能更好。

2.6 水性復合雙組份環(huán)氧型涂料熱穩(wěn)定性測試

為驗證制備的水性復合雙組份環(huán)氧型涂料熱穩(wěn)定性，將制備的涂料涂刷于馬口鐵，待涂膜實干后用刀片刮下并研磨成分，得到其TG-DTG 曲線，見圖3。

圖3 制備涂料的TG-DTG 曲線Fig.3 TG-DTG curve of the prepared coating

由圖3 可知，當溫度為200°C 時，涂料的熱失重率為1.3%；當溫度為290°C 時，涂料的熱失重率為3.03%；當溫度為400°C 時，涂料的熱失重率為21.47%；當溫度為800°C 時，涂料的熱失重率為48.21%。由此說明，本研究制備的涂料具有良好的熱穩(wěn)定性[10]。

3 結(jié)論

（1）利用正交實驗，確定了高性能建筑用水性復合雙組份環(huán)氧型涂料的最佳配比為：水性環(huán)氧乳液40（wt）%、消泡劑0.4（wt）%、納米ZnO 0.3（wt）%、三聚磷酸鋁5（wt）%、分散劑0.2（wt）%，并在此基礎(chǔ)上對顏填料體積濃度進行了優(yōu)化。

（2）制備的建筑用水性復合雙組份環(huán)氧型涂料基本性能良好，涂料無硬塊且分散均勻，施工過程未出現(xiàn)障礙，涂膜外觀正常，實干時間符合《JG/T224-2007 建筑用鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料》標準，耐沖擊性為50cm，耐酸性（5% H2SO4溶液浸泡96h 無異常）、耐堿性（5% NaOH 溶液浸泡7d 無異常)、耐鹽水性（5%NaCl 溶液浸泡15d 無異常）符合國家行業(yè)標準。

（3）通過Tafel 電化學測試可知，相較于一般市面上銷售的建筑用涂料，本研究制備的涂料具有更好的耐腐蝕性能。

（4）通過熱穩(wěn)定測試可知，本研究制備的涂料具有良好的熱穩(wěn)定性。