集裝箱用水性環(huán)氧富鋅底漆的制備與性能研究

顧海峰，李水秀，張佳佳，董 君 （上海豪立涂料有限公司，上海 201708）

0 引言

近年來(lái)，隨著公眾對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益關(guān)注、相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）的限制、各類環(huán)保法律法規(guī)的推動(dòng)以及各種水性樹(shù)脂技術(shù)的成熟，水性涂料已成為環(huán)保涂料的重要發(fā)展方向。

環(huán)氧富鋅涂料對(duì)基材具有優(yōu)異的保護(hù)性能，尤其是防腐蝕性能突出。并且對(duì)基材的前期處理要求相對(duì)較低，涂膜的附著力強(qiáng)、硬度高，不易開(kāi)裂、受損，與中間漆、面漆配套相容性好，施工方便，因此在集裝箱涂料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但目前常用的體系為溶劑型環(huán)氧富鋅底漆，涂料中存在大量有害和有刺激性氣味的溶劑，在制備和施工過(guò)程中對(duì)人體危害較大，所以采用環(huán)保、氣味小的水性環(huán)氧富鋅涂料替代溶劑型涂料已成為集裝箱行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。由于鋅粉較活潑，目前市場(chǎng)上的水性環(huán)氧富鋅體系多為三組分，施工工藝復(fù)雜。此外，由于原材料的選擇不當(dāng)，在貯存和使用過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)結(jié)塊、膠化、沉淀、噴涂流掛等現(xiàn)象。

針對(duì)當(dāng)前的環(huán)保要求和技術(shù)發(fā)展，本研究通過(guò)一系列的原材料篩選，最終制得了一款適用于集裝箱防腐的水性雙組分環(huán)氧富鋅底漆，它具有VOC含量低、快干、防流掛性能好、耐鹽霧性能優(yōu)異及施工便捷等特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)儀器

BSA 4202S電子天平（0.01 g），Sartorius；BGD 740/2分散機(jī)、BGD 225流掛儀、BGD 503附著力劃格板、BGD 302漆膜沖擊器、BGD 880鹽霧試驗(yàn)箱，標(biāo)格達(dá)；HWS-80B恒溫干燥箱，宏諾。

1.2 試驗(yàn)原材料

環(huán)氧樹(shù)脂STW 600（成膜樹(shù)脂），華誼精化；胺固化劑KW-8296，山東科淮新材料有限公司。

顏料：鋅粉，市售。

各種助溶劑（工業(yè)級(jí)）：丙二醇甲醚（PM）、乙二醇單丁醚（BCS）等，市售。

助劑：分散劑A、分散劑B，市售；分散劑SN-1728A、潤(rùn)濕劑SN-3704、鋅粉穩(wěn)定劑SN-7520、防閃銹劑SN-9776，上海深竹化工；膨潤(rùn)土SD-2，海名斯；氣相二氧化硅TS-720，卡博特。

1.3 水性環(huán)氧富鋅底漆的制備

水性環(huán)氧富鋅底漆的配方見(jiàn)表1。

表1 水性環(huán)氧富鋅底漆的配方Table 1 Formula of waterborne epoxy zinc rich primer

A組分的制備：將環(huán)氧樹(shù)脂、分散劑、潤(rùn)濕劑、助溶劑按比例加入到容器中，低速攪拌10 min，繼續(xù)按比例加入流變助劑、鋅粉穩(wěn)定劑，高速攪拌10～20 min，再將鋅粉加入到上述混合物中，高速分散至細(xì)度合格。

B組分的制備：依次向固化劑中加入水、助溶劑、防閃銹劑，低速分散至均勻。

將A、B組分按質(zhì)量比10∶1混合均勻，即可制得雙組分水性環(huán)氧富鋅底漆。

1.4 分析與測(cè)試

1.4.1 樣板的制備

將A、B組分按質(zhì)量比10∶1混合攪拌均勻后，加入適量的水稀釋至合適的施工黏度，并按照相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制板。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試樣板為2～3 mm厚的噴砂鋼板，采用有氣噴涂，干膜厚度為50～70 μm。固化條件為60 ℃烘烤1 h。室溫（23 ℃）養(yǎng)護(hù)14 d后對(duì)漆膜進(jìn)行性能測(cè)試。

1.4.2 性能測(cè)試

在容器中的狀態(tài)按照HG/T 3668—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定；涂膜外觀按照GB/T 50212—1991標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定；涂料的貯存穩(wěn)定性按照GB/T 6753.3—1986標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；適用期按照HG/T 3668—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；漆膜的耐水性按照GB/T 1733—1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；耐鹽霧性按照GB/T 1771—2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；附著力按照GB/T 9286—1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；涂料的抗流掛性按照GB/T 9264—1988標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；干燥時(shí)間按照GB/T 1728—1989標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；抗沖擊性按照GB/T 1732—1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋅粉含量的影響

在水性環(huán)氧富鋅涂料中，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑以及鋅粉的選擇對(duì)涂層的性能影響最大。在基于對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的種類和用量做過(guò)大量試驗(yàn)的前提下，選擇環(huán)氧樹(shù)脂STW 600和胺固化劑KW-8296作為成膜物質(zhì)。此外，鋅粉作為富鋅涂料的主要防銹顏料，它的添加量對(duì)涂層性能有直接的影響。針對(duì)不同的鋅粉添加量，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 鋅粉用量對(duì)涂層性能的影響Table 2 Effects of zinc powder amount on coating properties

由表2可以看出，當(dāng)鋅粉在體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40 %時(shí)，涂層耐鹽霧性較差；當(dāng)鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于60 %時(shí)，涂層耐鹽霧性均大于720 h，而80 %鋅粉的涂層耐水性較差。這是由于當(dāng)富鋅底漆中的鋅粉含量較低時(shí)，鋅粉顆粒之間不能形成完整的鋅粉層，鋅的陰極保護(hù)作用不明顯，涂層耐鹽霧性較差；鋅粉含量過(guò)高時(shí)，樹(shù)脂含量較少，無(wú)法完全包裹鋅粉，基材與涂層之間附著力減弱，也會(huì)導(dǎo)致漆膜起泡，耐水性降低。從性能和成本考慮，鋅粉在體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70 %左右時(shí)，性價(jià)比最優(yōu)。

2.2 分散劑的影響

采用合適的分散劑，不僅可以降低體系黏度，提高分散效率，還可以增強(qiáng)顏填料的穩(wěn)定性。對(duì)于水性環(huán)氧富鋅涂料的分散劑選擇，一方面要考慮到其分散穩(wěn)定性，另一方面要探究其對(duì)漆膜耐性的影響，避免其大幅度降低漆膜的耐水、耐鹽霧等性能。此外，A組分中的環(huán)氧樹(shù)脂含有環(huán)氧基團(tuán)，會(huì)與含有活潑氫錨定基團(tuán)的分散劑發(fā)生反應(yīng)，引起膠化。因此在選擇分散劑時(shí)，還應(yīng)與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。本研究選取了3種不同的分散劑進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、表3所示。

圖1 不同分散劑與環(huán)氧樹(shù)脂的相容性測(cè)試Figure 1 Compatibility tests of different dispersants and epoxy resin

表3 不同分散劑對(duì)涂料性能的影響Table 3 Effects of different dispersants on properties of coatings

表3結(jié)果表明，不同的分散劑均有較好的分散降黏效果，但是分散劑A對(duì)漆膜的耐水性和耐鹽霧性有明顯的副作用，且熱貯后顏色發(fā)生變化。分散劑B和環(huán)氧樹(shù)脂直接發(fā)生反應(yīng)后膠化。分散劑SN-1728A與環(huán)氧樹(shù)脂相容性好，不含活潑氫，不會(huì)與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)從而影響穩(wěn)定性，且對(duì)漆膜耐水性、耐鹽霧性的影響極小，適用于各種水性環(huán)氧漆，尤其適用于水性富鋅底漆，能夠取得比較出色的降黏效果、展色性和貯存穩(wěn)定性。

2.3 流變助劑的影響

水性環(huán)氧富鋅底漆中由于加入了大量的相對(duì)密度較大的鋅粉，鋅粉容易沉降并且影響體系穩(wěn)定性，因此加入合適的流變助劑是非常有必要的。該體系中流變助劑的選擇不僅要起到優(yōu)異的防沉效果，還要有一定的觸變性，以及在施工時(shí)表現(xiàn)出較好的抗流掛性能。有機(jī)膨潤(rùn)土通過(guò)水分子的架橋使無(wú)數(shù)的膨潤(rùn)土薄片形成凝膠結(jié)構(gòu)，而薄片面上的烴鏈通過(guò)其較強(qiáng)的溶劑化能力使體系增稠并產(chǎn)生觸變效應(yīng)。氣相二氧化硅表面帶有硅烷醇基團(tuán)，通過(guò)氫鍵相互作用以架橋的方式形成三維結(jié)構(gòu)，因而具有假塑性和觸變性。本研究選用了市場(chǎng)上環(huán)氧體系常用的流變助劑——膨潤(rùn)土SD-2和氣相二氧化硅TS-720進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 流變助劑的種類和用量對(duì)涂料性能的影響Table 4 Effects of the type and amount of rheological auxiliaries on the properties of coatings

表4結(jié)果表明，有機(jī)膨潤(rùn)土SD-2和氣相二氧化硅TS-720搭配使用，且其添加量分別為1.0 %時(shí)，對(duì)富鋅涂料體系增稠起到很好的協(xié)同作用，在體系中形成帶觸變性的氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)異的防沉效果，有效解決了鋅粉容易沉降結(jié)塊的問(wèn)題，同時(shí)為涂料提供了良好的流平性與抗流掛性。

2.4 鋅粉穩(wěn)定劑的影響

鋅粉與水反應(yīng)，涂層貯存穩(wěn)定性下降。配漆后放置一段時(shí)間后再施工，會(huì)造成漆膜表面發(fā)白，耐鹽霧性急劇下降。本研究考察了鋅粉穩(wěn)定劑SN-7520對(duì)鋅粉的穩(wěn)定性以及涂膜耐鹽霧性的影響，分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖3 SN-7520對(duì)環(huán)氧富鋅底漆耐鹽霧性的影響Figure 3 Effect of SN-7520 on salt spray resistance of epoxy zinc-rich primer

圖2、3表明，SN-7520對(duì)鋅粉的穩(wěn)定以及漆膜耐鹽霧性能的提高均有非常明顯的效果。SN-7520為特殊改性硅烷偶聯(lián)劑，有助于促進(jìn)涂料的交聯(lián)，以及金屬顏料在水性體系中的分散。在水性環(huán)氧體系中，其既能有效增加對(duì)鋅粉的穩(wěn)定性，又能提高涂層的內(nèi)聚力和對(duì)基材的附著力，從而增加涂層的耐鹽霧性能。

圖2 環(huán)氧富鋅底漆加水兌稀后放置5 h的效果Figure 2 Epoxy zinc-rich primer diluted with water and placed for 5 h

2.5 水性環(huán)氧富鋅底漆的性能

在經(jīng)過(guò)一系列的原材料篩選和添加量?jī)?yōu)化后，制備了一款水性環(huán)氧富鋅底漆，其性能如表5所示。該涂料不僅施工性好，濕膜275 μm不流掛，而且快干、適用期長(zhǎng)。與基材有較好的附著力，耐沖擊性能好，并且具有優(yōu)異的耐鹽霧性能。

表5 水性環(huán)氧富鋅底漆的性能指標(biāo)Table 5 Properties index of waterborne epoxy zinc-rich primer

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本研究制備的集裝箱用水性雙組分環(huán)氧富鋅底漆具有VOC含量低、快干、防流掛性能好、耐鹽霧性能優(yōu)異及施工便捷等特點(diǎn)。

（2）鋅粉在體系中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70 %時(shí)，性價(jià)比最佳。

（3）分散劑SN-1728A在水性環(huán)氧富鋅底漆中表現(xiàn)出優(yōu)異的降黏效果和貯存穩(wěn)定性。

（4）采用有機(jī)膨潤(rùn)土SD-2和氣相二氧化硅TS-720搭配使用，添加量分別為1.0 %時(shí)，具有優(yōu)異的防沉效果，同時(shí)為涂料提供了良好的流平性與抗流掛性。

（5）在體系中加入鋅粉穩(wěn)定劑SN-7520，對(duì)鋅粉的穩(wěn)定以及漆膜耐鹽霧性能的提高均有非常明顯的效果。