水性環(huán)氧底漆耐鹽霧性能影響因素的探討

掌婷婷 （上海華誼精細(xì)化工有限公司，上海 200062）

0 引言

眾所周知，工程機(jī)械、軌道交通，鋼結(jié)構(gòu)等長(zhǎng)期暴露在戶外環(huán)境[1-3］中的金屬基材容易被腐蝕，造成資源浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜吧９I(yè)防腐一直是備受人們關(guān)注的課題。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)及各行各業(yè)環(huán)保政策的出臺(tái)，工業(yè)漆水性化已成為工業(yè)防腐研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。在工業(yè)涂料金屬基材表面防護(hù)中，水性環(huán)氧底漆因其優(yōu)異的防腐性及機(jī)械性能，備受歡迎[4］。

水性雙組分環(huán)氧底漆[5］以水作為分散介質(zhì)，以環(huán)氧乳液[6］與環(huán)氧固化劑[7］為成膜物質(zhì)，在固化過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、耐水性和耐腐蝕性能。STW602環(huán)氧乳液是通過相反轉(zhuǎn)工藝制得的，具有乳液粒徑小且分布窄，形成的漆膜均勻性好，成膜性佳等特點(diǎn)。本研究以STW602環(huán)氧乳液為成膜物質(zhì)，探究了固化劑種類、環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比、顏基比、防銹顏料用量等對(duì)水性環(huán)氧底漆耐鹽霧性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

STW602環(huán)氧乳液，華誼精化；乳液型脂肪胺類固化劑（1#）、水溶性脂肪胺加成物固化劑（2#）、水溶性增韌改性胺固化劑（3#），均為自制；助溶劑、分散劑、消泡劑、鈦白粉、氧化鐵黑、防銹顏料（磷酸鋅）、重晶石粉、超細(xì)滑石粉、基材潤(rùn)濕劑、增稠劑、去離子水等，均為市售。

1.2 儀器

JA5001電子天平，上海精天電子儀器有限公司；高速分散機(jī)，上海賽杰化工設(shè)備有限公司；籃式砂磨機(jī)，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；Q-FOG鹽霧箱，上海翁開爾儀器有限公司。

1.3 配方

水性環(huán)氧底漆的參考配方見表1。

表1 水性環(huán)氧底漆的參考配方Table 1 Basic formula of waterborne epoxy primer

1.4 水性環(huán)氧底漆的制備工藝

A組分的制備：

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、超細(xì)滑石粉等顏填料，待無粉狀物時(shí)，將研磨缸放置到籃式砂磨機(jī)上，通循環(huán)冷卻水，研磨分散至細(xì)度＜30 μm后，過濾備用。

制漆：在研磨缸中加入環(huán)氧乳液、顏填料水漿、基材潤(rùn)濕劑、增稠劑，充分?jǐn)嚢? h，過濾，出料。

B組分的制備：

水溶性固化劑用去離子水兌稀，然后加入防閃銹劑，攪拌均勻，備用；乳液型固化劑直接使用。

將A、B組分按一定比例混合，攪拌均勻，并用去離子水稀釋至涂-4杯黏度30～40 s，然后用120目（125 μm）濾布過濾，即制得水性環(huán)氧底漆。

1.5 性能測(cè)試

1.5.1 樣板制備

機(jī)械性能測(cè)試樣板：采用馬口鐵板，先用180目（80 μm）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，先用乙醇除去其表面的油污，然后用180目（80 μm）砂紙打磨，再用乙醇擦拭干凈。

水性環(huán)氧底漆采用空氣噴涂，在噴涂前，用去離子水將底漆黏度調(diào)整至30～40 s。

噴涂后的樣板在溫度（23±2）℃、濕度（50±5）%的恒溫室中養(yǎng)護(hù)7 d后，進(jìn)行封邊處理。

1.5.2 性能測(cè)試

檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)方法見表2。

表2 涂層檢測(cè)項(xiàng)目與檢測(cè)方法Table 2 Test items and methods of the coating

2 結(jié)果與討論

2.1 水性胺類固化劑的選擇

作為水性環(huán)氧底漆的重要組分，固化劑的品種和用量對(duì)涂層性能的影響很大。水性胺類固化劑[7］可分為乳液型和水溶性兩類，二者各有優(yōu)勢(shì)，乳液型固化劑相對(duì)分子質(zhì)量大，表干較快，但相互接觸滲透困難；而水溶性固化劑分散均勻，與環(huán)氧乳液粒子滲透性好，反應(yīng)比較充分，但分子親水性強(qiáng)。本研究挑選了具有代表性的3種固化劑進(jìn)行對(duì)比，它們分別是：1#，乳液型脂肪胺類固化劑；2#，水溶性脂肪胺加成物固化劑；3#，水溶性增韌改性胺固化劑。研究這3種固化劑對(duì)涂層性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同固化劑對(duì)涂層性能的影響Table 3 Effect of different kinds of curing agents on the properties of the coating

由表3可以看出，采用1#乳液型固化劑的涂層的表干速度明顯快于采用2#和3#固化劑的涂層，10 min即可表干；劃格附著力、正沖等性能三者相當(dāng)；但僅有采用3#固化劑的涂層能通過反面沖擊50 cm，未出現(xiàn)開裂剝落，表明其涂層的韌性要好于采用1#、2#固化劑的涂層；采用3#固化劑的涂層的耐鹽霧性能表現(xiàn)也最佳，400 h后單邊擴(kuò)蝕（剝離）為2 mm（圖1）。究其原因，這是由于3#固化劑經(jīng)過增韌改性，與STW602交聯(lián)后形成的漆膜柔韌性較好，能有效舒緩因水和溶劑揮發(fā)導(dǎo)致的漆膜收縮應(yīng)力，從而具有與底材更好的附著力和更強(qiáng)的抗剝離強(qiáng)度，同時(shí)能有效阻隔水和氧氣的滲透，涂層的耐鹽霧性能較好。這3種固化劑在實(shí)際應(yīng)用中各具優(yōu)勢(shì)。1#乳液型脂肪胺類固化劑因其快干特點(diǎn)，可以應(yīng)用在“濕碰濕”工藝中，賦予面漆較好的外觀；2#水溶性脂肪胺加成物固化劑可以滿足一般工業(yè)防腐的要求；3#水溶性增韌改性胺固化劑因其優(yōu)異的防腐性能，可以應(yīng)用在有C4要求的橋梁鋼結(jié)構(gòu)中。

圖1 涂層的耐鹽霧性Figure 1 The salt spray resistance of the coating

2.2 環(huán)氧基與活潑氫的計(jì)量比例

在雙組分水性環(huán)氧底漆中，A組分里的環(huán)氧基與B組分里的胺的活潑氫的物質(zhì)的量之比對(duì)涂層的耐鹽霧性有較大影響。當(dāng)胺過量時(shí)，未參與反應(yīng)的過量的胺會(huì)遷移至漆膜表面，影響涂層的耐水性和耐鹽霧性能。所以配方中一般會(huì)設(shè)計(jì)為環(huán)氧適當(dāng)過量，尤其是在水性體系中，環(huán)氧乳液呈粒子形態(tài)，與胺的相互反應(yīng)程度比油性體系更差，所以通常會(huì)讓環(huán)氧基團(tuán)過量。但并不是環(huán)氧基團(tuán)過量越多越好，環(huán)氧基團(tuán)過量太多，將降低交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的致密度，反而會(huì)降低最終涂層的各種抗性。試驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)（表4）。適當(dāng)降低固化劑的用量[n（環(huán)氧基）∶n（活潑氫）= 1.2∶1］，使得環(huán)氧基團(tuán)過量，使親水性的胺盡量反應(yīng)完全，在漆膜中殘留較少，漆膜親水性降低，抗水滲透性和耐鹽霧性會(huì)相應(yīng)提高。同時(shí)更多的環(huán)氧基可以保證與基材有更好的鍵合，提高漆膜的附著力。

表4 環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比對(duì)涂層耐鹽霧性的影響Table 4 Effect of the molar ratio of epoxy group and active hydrogen on salt spray resistance of the coating

2.3 顏基比

以STW602和3#水溶性改性胺固化劑為成膜物質(zhì)，以鈦白粉、氧化鐵黑、磷酸鋅防銹顏料、硫酸鋇、超細(xì)滑石粉為顏填料，研究了顏基比對(duì)漆膜耐鹽霧性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 顏基比對(duì)涂層耐鹽霧性能的影響Table 5 Effect of the ratio of pigment and resin on salt spray resistance of the coating

從表5中可以看出，當(dāng)顏基比從1.46提高到2.07時(shí)，漆膜剝離寬度下降，耐鹽霧性能有所提高，這是因?yàn)轭伝瓤刂圃贑PVC（Critical Pigment Volume Concentration，臨界顏料體積濃度）范圍內(nèi)時(shí)，干膜中基體樹脂占比減少，漆膜整體的疏水性會(huì)增加，同時(shí)顏料起到了很好的屏蔽作用，漆膜的機(jī)械性能和耐鹽霧性能會(huì)有所提高。

2.4 防銹顏料的用量

本研究以磷酸鋅為防銹顏料，考察了磷酸鋅的用量對(duì)漆膜劃線耐鹽霧性的影響，結(jié)果見表6。

表6 防銹顏料的用量對(duì)涂層耐鹽霧性的影響Table 6 Effect of the amount of antirust pigment on salt spray resistance of the coating

由表6可以看出，隨著磷酸鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從6 %增加到11 %，漆膜劃線耐鹽霧性的剝離程度相當(dāng)，表明此配方中，防銹顏料的用量對(duì)漆膜耐鹽霧性影響不大，考慮成本的問題，防銹顏料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6 %～7 %較適宜。

3 結(jié)語

采用STW602環(huán)氧乳液與自制的不同種類固化劑和市售防銹顏料，制備了水性環(huán)氧底漆，考察了影響最終漆膜耐鹽霧性的各種因素。結(jié)果表明，選用水溶性增韌改性的脂肪胺類固化劑、n（環(huán)氧）∶n（活潑氫）為1.2∶1，防銹顏料磷酸鋅的用量選擇在6 %～7 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），顏基比為2左右時(shí)，最終漆膜的耐鹽霧性能最佳，劃線耐鹽霧性可達(dá)500 h以上，能滿足工程機(jī)械、軌道交通等行業(yè)的防腐要求。