工程機(jī)械用水性環(huán)氧底漆的制備及性能研究

掌婷婷，楊挺秀 （上海華誼精細(xì)化工有限公司，上海 200062）

0 引言

基于“綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)略路線，我國在涂料化工領(lǐng)域陸續(xù)出臺(tái)了許多相關(guān)的環(huán)保政策。水性涂料已成為工業(yè)防腐研究的一個(gè)重要發(fā)展方向［1］。2015 年以來，隨著工業(yè)漆由油性轉(zhuǎn)水性的推廣應(yīng)用程度不斷加深，以及水性環(huán)氧與固化劑技術(shù)的日益成熟，使得水性涂料在工程機(jī)械領(lǐng)域［2-3］的應(yīng)用得到了越來越多涂料涂裝企業(yè)的認(rèn)可。

工程機(jī)械的涂裝流程［4］一般為：底材噴砂處理→清理底材至無油無塵→噴涂底漆→流平30~40 min（無烘烤）→噴涂聚氨酯面漆→流平10~20 min →烘道（60~80 ℃）烘烤。為了確保涂裝效率，要求作為底漆的成膜物質(zhì)具有快速表干的特性，且最終涂層的性能要滿足HG/T 4339—2012《工程機(jī)械涂料》的要求。

水性雙組分環(huán)氧底漆［5］的固化機(jī)理是環(huán)氧乳液［6］與環(huán)氧胺類固化劑在溶劑揮發(fā)過程中，環(huán)氧基團(tuán)與胺基反應(yīng)，最終形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，漆膜表現(xiàn)出優(yōu)異的附著力、耐水性、耐腐蝕性等特點(diǎn)。本研究開發(fā)了一種水性雙組分環(huán)氧底漆，適用于“兩涂一烘”工藝的工程機(jī)械用涂料，探究了環(huán)氧乳液與固化劑成膜物質(zhì)體系、助溶劑，顏基比對漆膜性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

STW602，STW602K，STW703B，STW703D，華誼精化；競品固化劑，市售；丙二醇甲醚（PM）、丙二醇乙醚（PE）、丙二醇甲醚醋酸酯（PMA）、丙二醇正丁醚（PNB）、二丙二醇甲醚（DPM）、二丙二醇正丁醚（DPNB）、丙二醇苯醚（PPH）、分散劑、消泡劑、鈦白粉、氧化鐵黑、防銹顏料、硫酸鋇、滑石粉、基材潤濕劑、增稠劑、亞硝酸鈉、去離子水等，均為市售。

1.2 儀器設(shè)備

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，美國Q-Lab 公司。

1.3 水性環(huán)氧底漆的制備

1.3.1 配方水性環(huán)氧底漆的基礎(chǔ)配方見表1。

表1 水性環(huán)氧底漆的基礎(chǔ)配方Table 1 Basic formula of waterborne epoxy primer

1.3.2 水性環(huán)氧底漆的制備

（1） 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、硫酸鋇、滑石粉等顏填料，待無粉狀物質(zhì)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)度小于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、基材潤濕劑、增稠劑，充分?jǐn)嚢? h，過濾、出料。

（2） B 組分的制備

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

（3） 雙組分混合

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。

1.4 性能測試

1.4.1 樣板制備

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。

機(jī)械性能測試樣板：采用馬口鐵板，先用180 目（80 μm）砂紙打磨，再用乙醇擦拭干凈。

耐鹽霧性測試樣板：采用1 mm 厚的冷軋鋼板，先用乙醇除去其表面的油污，然后用180目砂紙打磨，再用乙醇擦拭干凈。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。

1.4.2 性能測試

涂層性能檢測項(xiàng)目與檢測方法見表2。

表2 涂層性能檢測項(xiàng)目與檢測方法Table 2 Performance test item and method of the coating

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧乳液與固化劑體系對漆膜性能的影響

2.1.1 環(huán)氧乳液對漆膜干性的影響

環(huán)氧樹脂作為主要的成膜物質(zhì)對漆膜的性能影響重大，不僅要潤濕分散顏填料，而且要與固化劑固化成膜，提供良好的物理化學(xué)性能。本研究選用STW602 和STW602K 環(huán)氧乳液，分別與固化劑STW703D 搭配，測試不同膜厚下漆膜的表干時(shí)間，結(jié)果如表3 所示。由表3 可見，隨著膜厚的增加，表干時(shí)間延長，且STW602 的干性明顯慢于STW602K，這是因?yàn)镾TW602 中有部分小分子環(huán)氧，降低了漆膜的Tg，在固化成膜階段，漆膜表干時(shí)間延長。故為滿足施工要求，A 組分采用STW602K 環(huán)氧乳液為成膜物。

表3 環(huán)氧乳液對漆膜干性的影響Table 3 The influences of epoxy emulsion on dryness of coating film

2.1.2 水性環(huán)氧固化劑對漆膜性能的影響

水性環(huán)氧固化劑作為成膜樹脂的重要組成部分，提供伯、仲胺基與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)，最終固化成膜。常用的市售環(huán)氧固化劑一般為水溶性自乳化胺類固化劑，相對于乳液型固化劑，其分散均勻，對環(huán)氧乳液的滲透性強(qiáng)，反應(yīng)比較充分。本研究選擇了3 款水溶性環(huán)氧胺類固化劑，分別是STW703B、STW703D，以及競品固化劑。

不同固化劑對涂層性能的影響見表4。從表4 中可以看出，就涂層表干速度而言，STW703B ＞ STW703D ＞競品固化劑。劃格附著力、正向沖擊性，三者相當(dāng)。采用STW703B 時(shí)，反向沖擊，漆膜剝落，其它2 個(gè)固化劑涂層韌性較好，均可通過。就耐鹽霧性而言，采用STW703B 時(shí)，涂層耐鹽霧400 h 剝離3 mm，無法滿足要求。競品固化劑和STW703D 涂層的耐鹽霧性能均能滿足要求。分析原因，競品固化劑和STW703D 分別與環(huán)氧乳液交聯(lián)固化成膜時(shí)，漆膜柔韌性比較好，能有效釋放漆膜收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，增強(qiáng)與基材的附著力，獲得更強(qiáng)的抗剝離強(qiáng)度，故涂層的耐鹽霧性能亦較好。綜合考慮涂層干性、韌性與耐鹽霧性，B 組分采用STW703D 固化劑。

表4 不同固化劑對涂層性能的影響Table 4 Effect of different kinds of curing agents on the properties of the coating film

2.1.3 環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比對漆膜性能 的影響

在水性環(huán)氧底漆中，作為成膜物質(zhì)的環(huán)氧乳液與固化劑的配比不同，涂膜的性能也不一樣。環(huán)氧乳液呈膠粒形態(tài)，與胺的相互反應(yīng)程度比油性體系差，所以通常會(huì)選擇環(huán)氧過量。但若環(huán)氧過量太多，漆膜致密度會(huì)降低，反而影響最終涂層的耐性；若胺過量，未參與反應(yīng)的胺會(huì)遷移至涂膜表面，影響涂層的耐鹽霧性能。

本研究選用STW602與STW703D作為成膜物質(zhì)，考察環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比對漆膜性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。從表5 中可知，當(dāng)環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比為1∶1 時(shí)，漆膜的反向沖擊不通過，韌性表現(xiàn)差，耐水7 d 后附著力為0 級，耐鹽霧400 h，單邊剝離3.5 mm，不能滿足使用要求。當(dāng)環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比為1.25∶1 時(shí)，漆膜的反向沖擊、耐水性均通過，耐鹽霧性亦有明顯提高。進(jìn)一步將二者之比提高至1.5∶1 時(shí)，漆膜的反向沖擊通過，耐鹽霧性能更好，但耐水性稍差。分析其中原因，隨著固化劑用量的減少，漆膜的致密性下降，殘留的胺較少，親水性亦降低，漆膜韌性增加，耐水性變差，耐鹽霧性上升。綜合考察，選擇環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比1.25∶1。

表5 環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比對涂層性能的影響Table 5 Effect of the molar ratio of epoxy group and active hydrogen on the properties of the coating

2.2 助溶劑的選擇

在制備水性環(huán)氧底漆的過程中，一般都需要加入助溶劑，調(diào)節(jié)溶劑的揮發(fā)梯度，幫助環(huán)氧乳液與固化劑更好地成膜，從而獲得性能優(yōu)良的涂膜。

本研究選擇了幾種不同的助溶劑，考察其對STW602K 乳液體系的影響，結(jié)果見表6。從表6 中可見，直接將PM 或PE 加入到乳液中，乳液狀態(tài)不穩(wěn)定，出現(xiàn)返粗問題，細(xì)度可達(dá)50 μm。其它助溶劑則對乳液狀態(tài)無影響。通過試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，若把PM 或PE 兌稀后加入到環(huán)氧乳液中則不會(huì)出現(xiàn)返粗的問題。從乳液單獨(dú)的表干狀態(tài)可知，使用較低沸點(diǎn)溶劑PM 或PE，乳液表干后均呈白色且開裂無附著力狀態(tài)。使用PMA，15 ℃時(shí)漆膜呈半透明狀，23 ℃時(shí)則呈透明狀。選擇其它溶劑，漆膜均呈透明狀，這是因?yàn)楦叻悬c(diǎn)、慢干溶劑降低了最低成膜溫度，乳液微粒發(fā)生溶解和溶脹，最終形成透明連續(xù)的漆膜。基于干性及成膜的角度考慮，選擇PM 和PNB 作為助溶劑。

表6 不同助溶劑對環(huán)氧乳液性能的影響Table 6 Effect of different kinds of co-solvents on the properties of epoxy resin emulsion

2.3 顏基比對漆膜性能的影響

本研究選擇鈦白粉、氧化鐵黑、磷酸鋅、硫酸鋇，滑石粉作為顏填料，考察了顏基比分別為2.6∶1、2∶1、1.4∶1 的水性環(huán)氧底漆的性能，按物質(zhì)的量之比1.25∶1，配套STW602K 環(huán)氧乳液和STW703D 固化劑，結(jié)果如表7 所示。從表7 中可以看出，隨著顏基比的降低，乳液含量增多，表干時(shí)間逐漸變慢，漆膜柔韌性和正向沖擊無差異。當(dāng)顏基比為2.6∶1 時(shí)，漆膜反向沖擊、耐水性和耐鹽霧性較差，這可能是由于顏基比過高，樹脂未能有效形成致密網(wǎng)絡(luò)所致。當(dāng)顏基比為1.4∶1 和2∶1 時(shí)，漆膜性能均較好，可以滿足使用要求，綜合考慮，選擇顏基比為2∶1，即乳液含量在A 組分中質(zhì)量占比為40%。

表7 顏基比對涂層性能的影響Table 7 Effect of the ratio of pigment and resin on the properties of the coating

3 結(jié)語

本研究采用不同種類的環(huán)氧乳液與固化劑制備水性環(huán)氧底漆，考察了不同環(huán)氧乳液、固化劑和助溶劑，環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比以及顏基比對漆膜性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，選用STW602K環(huán)氧乳液搭配STW703D 固化劑，環(huán)氧基與活潑氫的物質(zhì)的量之比為1.25，顏基比為2∶1，助溶劑選擇PM 和PNB 時(shí)，所得漆膜的綜合性能最佳，表干時(shí)間10 min（膜厚20 μm），劃線耐鹽霧性能達(dá)到400 h 以上，能滿足采用“兩涂一烘”施工工藝的工程機(jī)械的防腐要求。