鋼結(jié)構(gòu)防腐用丙烯酸樹脂涂料制備及性能研究*

饒 蓮

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000）

引 言

鋼結(jié)構(gòu)作為建筑材料中不可或缺的部分，其性能決定建筑的質(zhì)量。但受材料特性的影響，在使用的過程中，易和空氣中的水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，從而出現(xiàn)生銹腐蝕，使建筑鋼結(jié)構(gòu)使用壽命縮短。針對該問題，唐黎標(biāo)、孫瀾曦[1～2]等提出在鋼結(jié)構(gòu)表面涂裝防腐涂料，從而起到防腐和減少摩擦的作用。但無論是國內(nèi)，還是國外，制備高光澤和高耐介質(zhì)性的防腐涂料一直是研究的重點(diǎn)。以美國和日本為例，其生產(chǎn)的丙烯酸樹脂涂料產(chǎn)品在種類和質(zhì)量方面，都擁有非常突出的優(yōu)勢。同時(shí)基于丙烯酸樹脂涂料，人們從分散技術(shù)、生產(chǎn)工藝等方面都進(jìn)行了大量研究，如Pathak S.S 等[3]從制備方法上引入有機(jī)硅，從而大大提高了水性涂料的耐腐蝕性能；Mazurek M 等[4]則將丙烯酸樹脂與-NCO 固化劑進(jìn)行反應(yīng)，從而大大提高了涂料的耐介質(zhì)性；國內(nèi)針對丙烯酸樹脂涂料的研究中，主要憑借樹脂在高光澤和摩擦性能方面的優(yōu)勢，采用單組分成膜樹脂或乳液，但成膜后的強(qiáng)度和硬度都普遍較低。對此，郭百超等[5]就有機(jī)硅改性丙烯酸樹脂乳液進(jìn)行了深入研究，并歸納了有機(jī)硅改性的效果；高勝庸等[6]則采用聚合法制備穩(wěn)定的羥基丙烯酸酯聚合物乳液，然后摻入固化劑，進(jìn)而表現(xiàn)出良好的耐摩擦性、光澤性等；董曉娜[7]等則采用納米材料對丙烯酸樹脂進(jìn)行改性，以此大大提高了其耐酸堿腐蝕和導(dǎo)熱性能。本研究在以上研究基礎(chǔ)上，以溶液聚合法為主要方法，制備水分散型含羥基丙烯酸樹脂，為鋼結(jié)構(gòu)防腐提供方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本試驗(yàn)主要材料:丙二醇丁醚（PnB），濟(jì)南遠(yuǎn)祥化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA），山東初鑫化工有限公司；丙烯酸丁酯（BA），山東巨和生物技術(shù)有限公司；甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA），山東力昂新材料科技有限公司；甲基丙烯酸（MAA），山東旭晨化工科技有限公司；叔碳酸縮水甘油酯（E-10P），武漢華翔科潔生物技術(shù)有限公司；過氧化苯甲酸叔丁酯（BPB），濟(jì)南晶昊化工有限公司，（AR）；N,N-二甲基乙醇胺（DMEA），山東創(chuàng)贏化工有限公司，（AR）；固化劑DIC-5500，上海凱茵化工有限公司；流平劑（BYK-346），廣州市斯涂源化工有限公司；消泡劑（BYK-902W），成都市恒億化工產(chǎn)品有限公司。

本試驗(yàn)主要儀器：蠕動(dòng)泵（BT100-2J），保定融柏恒流泵制造有限公司；傅里葉紅外光譜儀（TH-22a），長沙市天恒科學(xué)儀器設(shè)備有限公司；60°角光澤儀（NHG60），深圳市三恩時(shí)科技有限公司；行星式球磨機(jī)（XQM-4），長沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司；鼓風(fēng)干燥箱（101-2A），河北朵麥信息科技有限公司；差示掃描量熱儀（DSC-750L），上海群弘儀器設(shè)備有限公司；靜態(tài)接觸角測試儀（PZ-500SD），北京品智創(chuàng)思精密儀器有限公司；耐鹽霧試驗(yàn)機(jī)（YW-1-25），東莞市精域環(huán)境測試設(shè)備有限公司；精密電子天平（H0503），邢臺(tái)智冠機(jī)械科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 水可分散型含羥基丙烯酸樹脂基體的制備

采用溶液聚合法進(jìn)行基體制備[4]，具體步驟為：

1）分別將45g PnB 和5g E-10P 放入干凈裝有機(jī)械攪拌桿的三口燒杯中，在油浴條件下將溫度提升至140℃。在剩余E-10P 中加入一定量MAA、MMA、BA、HEMA 和90% 的引發(fā)劑BPB，充分混合。使用BT100-2J 型蠕動(dòng)泵將混合溶液緩慢滴加至三口燒瓶中，滴加完成后進(jìn)行保溫，讓反應(yīng)單體聚合完全，設(shè)置滴加時(shí)間和保溫時(shí)間分別為3h 和1h。

2）在一定量PnB 中溶入5%的BPB，緩慢滴加至三口燒瓶中，滴加完成后保溫1h。再次稱取一定量的PnB，溶入一定量PnB 中，繼續(xù)緩慢滴加至三口燒瓶，然后將溫度緩慢提升至150℃并保溫1h，得到分子鏈端基具有-COOH 和-OH 的聚合物。

3）在快速攪拌的狀態(tài)下，將一定量DMEA 緩慢滴入樹脂中，繼續(xù)快速攪拌30min，使DMEA 與聚合物端基的-COOH 發(fā)生中和反應(yīng)生成鹽，賦予樹脂水溶性。中和反應(yīng)結(jié)束后，在高速攪拌的狀態(tài)下，加入一定量水，繼續(xù)高速分散，分散時(shí)間為30min，得到水可分散型含羥基丙烯酸基礎(chǔ)樹脂。

1.2.2 色漆制備

將一定復(fù)配比例的填料、顏料、潤濕分散劑、中和劑和消泡劑等水性助劑，加入到一定量的樹脂中，其中，根據(jù)顏料種類對潤濕分散劑用量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。所有物料混合后，放入XQM-4 式行星式球磨機(jī)中，加入適量水調(diào)整色漆黏度。打開行星式球磨機(jī)高速模式，對混合物料進(jìn)行研磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間分別為3000r/min 和4h。研磨結(jié)束后，用刮板細(xì)度計(jì)對色漆細(xì)度進(jìn)行測量，若色漆細(xì)度小于20μm，用多層絲絹進(jìn)行過濾。得到水可分散性含羥基丙烯酸色漆，色漆配方見表1。

表1 色漆配方Table 1 The paint formula

同時(shí)為對比本試驗(yàn)制備的涂料的優(yōu)勢，制備一定量的清漆。具體配比則如表2 所示。

表2 清漆具體配比Table 2 The specific proportions of varnish

1.2.3 測試樣板的制備

提前將馬口鐵板或鋼板用600 目砂紙進(jìn)行打磨，然后用無水乙醇擦拭板面，除去板面的油污和金屬氧化物粉末，擦拭干凈后，靜置10min，使無水乙醇揮發(fā)；再次用干凈棉球?qū)迕娌潦酶蓛?，將制備好的色漆噴涂在樣板表面，置于恒溫恒濕的室?nèi)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至表面干燥。將樣板放入101-2A 型鼓風(fēng)干燥箱中烘干，烘干溫度80℃，時(shí)間30min。完全烘干后置于室溫條件下養(yǎng)護(hù)7d，得到測試的鋼或鐵樣板。

1.3 性能測試

本試驗(yàn)性能測試參照《水性丙烯酸樹脂涂料標(biāo)準(zhǔn)》（HG/T 4758-2014），對丙烯酸漆膜性能進(jìn)行測定[5]。

1.3.1 光澤度測試

在鐵板表面刮涂厚度為150μm 的色漆，置于室溫條件下養(yǎng)護(hù)7d，用NHG60 型60°角光澤儀測定漆膜光澤度。

1.3.2 耐介質(zhì)性能測試

在配套板表面刮涂厚度為50μm 的涂料，置于101-2A 型鼓風(fēng)干燥箱中烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為80℃和30min。取出樣板后置于室溫條件下保持7d，然后在樣板四周用環(huán)氧樹脂密封。將處理好的樣板分別放入純水、5%NaCl 溶液、5%HCl 溶液、5%NaOH 溶液中，測試漆膜失效時(shí)間，得到漆膜的耐水性、耐鹽水性、耐酸堿性、耐鹽霧性。將處理好的樣板放入YW-1-25 型鹽霧試驗(yàn)機(jī)，測試漆膜耐鹽霧性能。

1.3.3 接觸角測試

用PZ-500SD 型靜態(tài)接觸角測試儀對漆膜表面靜態(tài)接觸角進(jìn)行測定，用橢圓法對接觸角進(jìn)行分析。具體過程是將完全干燥的樣板平置，然后在試驗(yàn)樣板上滴加一滴去離子水，待平衡后，用五點(diǎn)擬合橢圓形，計(jì)算接觸角度。

1.3.4 固含量測試

用H0503 型精密電子天平精準(zhǔn)稱取樹脂樣品1g，放入底部平整的器皿中，使樹脂在器皿底面形成均勻厚度的薄膜。置于101-2A 型鼓風(fēng)干燥箱中烘干，烘干溫度和時(shí)間分別為140℃和1h。將烘干后樹脂樣品取出，置于精密電子天平中再次進(jìn)行稱重。

2 結(jié)果與討論

2.1 漆膜光澤度測試

表3 為漆膜光澤度測試結(jié)果。由表3 可知，不同單體引入量對漆膜光澤度有一定影響，但差別不大。MMA 引入量越多，漆膜光澤度越高。這是因?yàn)镸MA 含量的增加，導(dǎo)致漆膜硬度和表面平整度隨之提高，放射光更加均勻，進(jìn)而提高了漆膜光澤度[7～8]。同時(shí)，隨著涂料中溶劑量的減少，漆膜光澤度逐漸降低，表現(xiàn)出表干大于實(shí)干大于烘干的現(xiàn)象。這是因?yàn)闇p少溶劑后，漆膜中溶劑液體存在量也逐漸減少，造成的光反射也隨之減少，因此漆膜的光澤度也隨干燥程度降低。經(jīng)過觀察五組光澤度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本試驗(yàn)制備的水可分散型含羥基丙烯酸涂料漆膜平均表干光澤度大概為92Gu，實(shí)干光澤度大概為90.5Gu，烘干光澤度大概為88Gu，這就說明該漆膜的光澤度和光飽和度都比較高。

表3 漆膜光澤度測試結(jié)果Table 3 The glossiness test results of paint film

2.2 耐介質(zhì)性能測試結(jié)果

表4 為漆膜耐介質(zhì)性能測試結(jié)果，由表4 可知，隨著玻璃轉(zhuǎn)化溫度的提升，漆膜內(nèi)部交聯(lián)程度也逐漸增加，讓漆膜具有較好的耐介質(zhì)性[9]。當(dāng)玻璃轉(zhuǎn)化溫度不低于30℃時(shí)，漆膜耐水時(shí)間為48h，耐酸堿時(shí)間為24h，耐鹽水時(shí)間為72h，耐鹽霧時(shí)間為60h，證實(shí)漆膜除具有一定耐介質(zhì)性外，特別對鹽類物質(zhì)耐受性能較高。

表4 漆膜耐介質(zhì)性能測試結(jié)果Table 4 Test results of medium resistance of paint film

2.3 接觸角測試結(jié)果

圖1 為3#、4#、5#和6#樹脂制備的漆膜接觸角測試圖。由圖1 可知，隨玻璃轉(zhuǎn)化溫度的增加，漆膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為致密，漆膜表面更加平整，疏水性能良好。

圖1 接觸角測試圖Fig. 1 The diagram of contact angle test

2.4 固含量測試結(jié)果

表5 為制備的樹脂樣品固含量測試結(jié)果。由表5 可知，合成樹脂理論固含量為45.05%，實(shí)際固含量約為39.5%，固含量損失約為12%。這是因?yàn)樵趩误w發(fā)生共聚反應(yīng)時(shí)，無法達(dá)到100%聚合[10]。發(fā)生共聚反應(yīng)時(shí)，還伴隨有少部分副反應(yīng)發(fā)生，生成小部分低分子酯類物質(zhì)，使得產(chǎn)品實(shí)際固含量受到一定影響，進(jìn)而導(dǎo)致固含量測試值與理論值發(fā)生一些偏差。但實(shí)際固含量仍為40%左右，滿足市售標(biāo)準(zhǔn)。

表5 樹脂樣品固含量測試結(jié)果Table 5 The solid content test results of resin samples

3 結(jié) 論

本文以溶液聚合法制備了水可分散型含羥基丙烯酸樹脂，并對該丙烯酸樹脂涂料的性能進(jìn)行研究，得到的具體結(jié)論如下：

（1）漆膜表干光澤度、實(shí)干光澤度和烘干光澤度相差不大，具有較高的光澤度和光飽和度。

（2）玻璃轉(zhuǎn)化溫度≥30℃時(shí)，漆膜耐水時(shí)間為48h，耐酸堿時(shí)間為24h，耐鹽水時(shí)間為72h，耐鹽霧時(shí)間為60h，具有優(yōu)良的鹽類耐受性能。

（3）玻璃轉(zhuǎn)化溫度增加，漆膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，表面平整光滑，具有優(yōu)良的疏水性能。

（4）固含量測試值為40%，滿足市售標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，本文制備的水可分散型含羥基丙烯酸樹脂在玻璃轉(zhuǎn)化溫度不低于30℃的條件下，具有較高的耐介質(zhì)性能和光澤度， 符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB50205-2001，可以用于建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)防腐和機(jī)械設(shè)施保護(hù)。