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水性環(huán)氧防腐涂料的研制
文章來自：中國防腐網(wǎng)
摘要：以自制的環(huán)氧樹脂乳狀液為漆基、磷酸鋅作為活性防 銹顏料合成了水性環(huán)氧防腐涂料。研究了涂料中顏基比、固化劑與環(huán)氧樹脂的當量比等對涂膜性能的影響。結(jié)果表明，顏基比小于 1，固化劑CEN-537 與環(huán)氧樹脂 E-44的當量比為 1 或 稍大于 1 時，所得涂膜的各項性能指標可達到較好的平衡；涂料的防繡性能與以硅鉻酸鉛為防繡顏料的傳統(tǒng)涂料相當。新研制的水性環(huán)氧防腐涂料性能達到了國外同類產(chǎn)品的水平。
關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧防腐涂料；防繡顏料；研制；性能；磷酸鋅
中圖分類號：TQ630.7 文獻標識碼：A
文章編號：1004 – 227X (2007) 04 – 0028 – 04
1 前言
涂料揮發(fā)性有機物（VOC）對大氣的污染是僅次于車輛尾氣污染的第二大污染源，隨著社會環(huán)保意識 的增強以及環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，非溶劑型環(huán)保涂料 尤其是水性涂料得到了快速發(fā)展[1]。水性涂料的配方 相對比較復(fù)雜，通常包含多種助劑，而這些助劑常常 影響到涂膜的性能[2-3]，尤其是耐水性與耐化學品性 能，水性涂料的成膜過程也與溶劑型涂料不同，非均 相的乳膠成膜是其主要的成膜方式，這些因素往往會 影響到涂膜的物理化學性能。而防腐涂料對涂膜的附 著力、耐水、耐化學品等性能要求通常較高，因此水 性防腐涂料的技術(shù)難度較大，其發(fā)展相對于其他水性 涂料品種而言比較緩慢[4]。水性環(huán)氧涂料由于具有良 好的耐水、耐化學品性，尤其具有優(yōu)異的附著力，從 而成為國外發(fā)展最快的水性防腐涂料，也是當前最主 要的水性防腐涂料產(chǎn)品。本實驗利用自制的環(huán)氧樹脂 乳液研制了水性環(huán)氧防腐涂料配方，并得到了性能良 好的防腐涂料產(chǎn)品。
2 實驗部分
2. 1 主要實驗材料
環(huán)氧樹脂乳液 WEP-1、WEP-2 是環(huán)氧樹脂 E-44、 E-20 的乳狀液產(chǎn)品，固含量為 50%，由自制的專用乳 化劑乳化制得[5]；EPI-REZ Resin 3520-WY-55 為 Shell 公司產(chǎn)品，固含量為 55%，環(huán)氧當量（以固含量計） 為 485 ~ 555，與 WEP-2（其環(huán)氧當量為 450.5 ~ 500） 相當；固化劑 CEN-537，水性聚酰胺，固含量 60%， 胺氫當量 174，Shell 公司產(chǎn)品；顏填料磷酸鋅、硫酸 鋇、氧化鋅、硅鉻酸鉛、氧化鐵紅、滑石粉皆為國產(chǎn)工業(yè)級；消泡劑 BYK-034、BYK-1615 與潤濕分散劑 Disperbyk-191 為德國 BYK-Chemie 公司產(chǎn)品，潤濕分散劑 DP-518 為臺灣德謙公司產(chǎn)品，pH 值調(diào)節(jié)劑 AMP-95 為美國 ANGUS 公司產(chǎn)品，增稠劑 HX-5500 為廣州番禺華夏助劑公司產(chǎn)品。
2. 2 實驗方法
2. 2. 1 水性環(huán)氧防腐涂料的制備
將顏填料、助劑、乳液按照以下配方預(yù)混合、研 磨分散、調(diào)漆等工藝步驟[6]制備涂料產(chǎn)品。
2. 2. 2 涂膜的制備
按 GB/T1727-1992 方法，以馬口鐵片為底材，刷 涂或刮涂。
2. 2. 3 涂料與涂膜性能測試
(1) 凍融穩(wěn)定性：將涂料密封后于–18 °C 下保存 16 h，然后取出置于 23 °C 恒溫 8 h，此為一周期。觀 察涂料是否發(fā)生反粗、沉淀、膠凝、結(jié)塊等現(xiàn)象。如 無以上現(xiàn)象發(fā)生，則為此周期通過。
(2) 涂料細度：按 GB1724-79 方法。
(3) 漆膜光澤：60 °光澤，KGZ-IB 型光澤度儀， 天津科器高新技術(shù)公司制造。
(4) 涂膜硬度：鉛筆硬度，按 GB/T6739-1996 方法。
(5) 涂膜抗沖擊性：按GB/T1732-1993 方法。
(6) 涂膜附著力 ：漆膜劃格實驗，按GB/T9286-1998 方法。
(7) 涂膜抗彎曲性能：按 GB6742-86 方法。
(8) 涂膜防銹性能：用耐水性與耐鹽水性表示， 參照 GB/T1733-93 方法，用清水和 3%的 NaCl 溶液浸 泡漆板，觀察漆膜的變化情況。
(9) 漆膜耐化學品性能：用 10%的 HCl 和 10% 的 NaOH 溶液浸泡漆板，觀察漆膜的變化情況。
3 結(jié)果與討論
3. 1 顏基比對涂膜光澤度的影響
顏基比在涂料配方研制中是確定漆基與顏填料比 例的具有實際意義的指標。以 WEP-1、WEP-2 為漆基， CEN-537 為固化劑，在不同的顏基比下涂膜的光澤度 變化如圖 1 所示。
從圖 1 可知，在顏基比較小時，水性環(huán)氧防腐涂 料形成的涂膜其光澤度很高，當顏基比小于 0.5 時， 光澤度可達到近 80%，涂膜非常光亮；隨著顏基比的 增加，涂膜的光澤度急劇下降，光澤度變化的拐點對 應(yīng)的顏基比在 1 左右；在顏基比大于 1 時，涂膜的光 澤度很低，此時漆基不能完全包覆顏填料顆粒表面， 顏填料顆粒之間存在空隙，導(dǎo)致涂膜的致密性與平整 度降低，光的反射作用減弱，涂膜表面的光澤度下降。 由于對防腐涂料涂膜的抗?jié)B性要求較高，根據(jù)圖 1 光 澤度–顏基比曲線，顏基比應(yīng)在 1 以下，本實驗涂料配 方顏基比確定為 0.7。
3. 2 固化劑與環(huán)氧樹脂當量比對涂膜性能的影響
以 CEN-537 為固化劑，與環(huán)氧樹脂乳液 WEP-1 按不同的當量比混合，涂膜的物化性能如表 1 所示。 從表 1 可以看出，固化劑與環(huán)氧樹脂之間的當量比對 涂膜的物理化學性能有很大影響。固化劑作為一種反 應(yīng)性組分，固化后成為涂膜高分子結(jié)構(gòu)中的一部分， 它的化學組成與加入量直接影響到涂膜的固化成膜過 程與涂膜的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，最終會影響到涂膜的性能。對 于不同的固化劑-環(huán)氧樹脂體系由于其分子量、分子結(jié) 構(gòu)不同，各有其適宜的當量比。環(huán)氧樹脂 E-44 的環(huán)氧 當量約為 227，固化劑 CEN-537 為水性聚酰胺，其活潑胺氫當量為 174，當固化劑與環(huán)氧樹脂的當量比增 加時，固化膜分子的交聯(lián)密度增加，涂膜的光澤度、 硬度增加，同時對水、電解質(zhì)等的滲透性降低，因此 其防銹性能大大提高。但固化物交聯(lián)密度的增加也使 得涂膜變脆，表現(xiàn)為涂膜的抗彎曲性和抗沖擊性能這 兩項物理機械性能指標降低，在外力作用下涂膜容易 損傷。綜合各項性能，胺氫與環(huán)氧基當量比為 1 或稍 大于 1 時各項性能指標可以達到相對較好的平衡。
3. 3 活性顏料堿式硅鉻酸鉛與磷酸鋅防銹性能比較 以 WEP-1 為漆基，CEN-537 為固化劑，將配方 中的磷酸鋅按等體積用硅鉻酸鉛替換，所得兩種涂料 涂膜的防銹性能如表 2 所示。
堿式硅鉻酸鉛是以二氧化硅為核、包覆堿式鉻酸 鉛和硅酸鉛，經(jīng)高溫煅燒、核與外膜發(fā)生固相反應(yīng)形 成化學結(jié)合的復(fù)合物，其含鉛量為紅丹的一半，毒性 較紅丹小，并具有較好的防腐性能，因此在防腐涂料 中發(fā)展較快[7-8]，但其安全性仍然小于磷酸系顏料。磷 酸鋅是一種無毒的新型活性防銹顏料，其防銹機理一 般認為它具有陽極極化作用和陰極極化作用。磷酸鋅 解離生成磷酸鹽離子，在金屬表面與 Fe3+形成附著牢 固的絡(luò)合物 Fe[Zn3(PO4)3] 沉淀層而抑制陽極反應(yīng)（陽 極極化），鋅離子與陰極區(qū)的 OH–反應(yīng)，生成溶解性 很小的氫氧化鋅或堿式鋅鹽而起陰極極化作用，同時 能與漆料中的羥基、羧基絡(luò)合，使顏料–漆料–底材之間形成化學結(jié)合從而提高涂層的附著力和抗?jié)B性。 從表 2 可以看出，在研制的水性環(huán)氧防腐涂料體 系中，以磷酸鋅為活性防銹顏料的涂膜其防銹性能優(yōu) 于以硅鉻酸鉛為活性顏料的涂膜，該實驗結(jié)果表明磷 酸鋅是一種高效、無毒的活性防銹顏料。
3. 4 研制的水性防腐涂料與國外同類產(chǎn)品性能比較 在影響涂膜性能的各因素中，漆基的化學組成與 質(zhì)量往往起著決定性作用。本實驗以環(huán)氧當量相近的 自制環(huán)氧樹脂乳液 WEP-2 和 Shell 公司產(chǎn)品 EPI-REZ Resin 3520-WY-55為漆基按相同的配方和工藝制備水 性環(huán)氧防腐涂料，固化劑為 CEN-537，固化膜的性能 如表 3 所示。
從表 3 可以看出，兩種涂料產(chǎn)品都表現(xiàn)出較好的 物理機械性能和優(yōu)異的防銹性能，但漆膜抗強酸強堿 的能力有限，不能長時間經(jīng)受強酸強堿的腐蝕，因此 本實驗研制的水性環(huán)氧防腐涂料更適合于大氣條件下金屬材料（如金屬橋梁、鋼結(jié)構(gòu)等）的防銹涂料。實 驗結(jié)果表明，自制的環(huán)氧樹脂乳液防腐涂料已達到了 國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，其主要性能指標與鐵道部 《鐵路貨車水性厚漿型涂料技術(shù)條件》要求基本相符。
4 結(jié)論
(1) 所研制的水性環(huán)氧防腐涂料體系，其顏基比 在 1.0 左右時涂膜的光澤度變化出現(xiàn)躍變。因此，顏 基比以小于 1.0 為宜。
(2) 固化劑 CEN-537 與環(huán)氧樹脂 E-44 的胺氫與 環(huán)氧基當量比為 1 或稍大于 1 時，各項性能指標可以 達到相對較好的平衡。
(3) 磷酸鋅作為一種新型活性防銹顏料其安全 性好、防銹性能優(yōu)異。
(4) 本實驗研制的水性環(huán)氧防腐涂料，各項性能指標達到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，適合用作大氣條件下金屬材料的防銹涂料。
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[8] 姜英濤. 涂料工藝(第五分冊)[M]. 2 版. 北京: 化學工業(yè)出版社, 1996: 28. [ 編輯：韋鳳仙 ]
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