快干型水性環(huán)氧富鋅底漆的研制

陳海洪，陳中華，夏正斌，劉景富

（1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州集泰化工有限公司，廣東 廣州 510520；3.防化駐桂林和廣州地區(qū)軍代室，廣西 桂林 541002）

快干型水性環(huán)氧富鋅底漆的研制

陳海洪1,2,*，陳中華2，夏正斌1，劉景富3

（1.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州集泰化工有限公司，廣東 廣州 510520；3.防化駐桂林和廣州地區(qū)軍代室，廣西 桂林 541002）

以水性環(huán)氧樹(shù)脂作為成膜物質(zhì)，以鋅粉為主要防銹顏料，制備出一種耐腐蝕性良好的快干型水性環(huán)氧富鋅底漆。對(duì)影響環(huán)氧富鋅底漆耐腐蝕性能和干燥性能的一些因素，如水性環(huán)氧樹(shù)脂和填料的選擇、鋅粉用量以及助溶劑類型及其復(fù)配等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，選用水性樹(shù)脂C，滑石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，助溶劑b和c按2∶1的質(zhì)量比搭配時(shí)，所得水性環(huán)氧富鋅底漆的性價(jià)比最佳，表干時(shí)間為5 min。

水性環(huán)氧富鋅底漆；鋅粉；耐蝕性；快干型涂料

1 前言

腐蝕是金屬材料設(shè)備、構(gòu)件失效的3種形式之一。在我國(guó)，因金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)300億元以上，占國(guó)民生產(chǎn)總值的4%[1]。富鋅底漆作為長(zhǎng)效型鋼結(jié)構(gòu)重防腐涂料涂裝配套體系的底漆與其他品種底漆相比，具有防腐性能強(qiáng)、耐熱性優(yōu)良、附著力好等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)久以來(lái)被廣泛用于輪船、海上采油平臺(tái)、集裝箱、碼頭、閘門(mén)、儲(chǔ)罐、管道和橋梁等的防護(hù)。所以，富鋅底漆的研制具有重要意義。

富鋅底漆按成膜物質(zhì)不同可分為無(wú)機(jī)、有機(jī)、有機(jī)/無(wú)機(jī)摻合3種類型[2]。有機(jī)富鋅涂料常用環(huán)氧、氯化橡膠、乙烯基樹(shù)脂和聚氨酯樹(shù)脂為成膜基料，最為常用的是環(huán)氧富鋅涂料。其中，聚酰胺固化環(huán)氧富鋅底漆是有機(jī)富鋅底漆中用量最大的品種[3]。目前，國(guó)際品牌涂料公司如KCC、中涂、關(guān)西、海虹老人牌等，都能大量生產(chǎn)環(huán)氧富鋅底漆。該類涂料的特點(diǎn)是長(zhǎng)效防腐、表干時(shí)間快，可廣泛應(yīng)用于集裝箱行業(yè)。隨著環(huán)保意識(shí)的日益提高，相關(guān)法律法規(guī)逐漸出臺(tái)，對(duì)涂料中VOC限量的控制日益嚴(yán)格。本文涉及的快干型水性環(huán)氧富鋅底漆，研制的目的是降低體系的 VOC含量，使其趨向水性化，而防腐性能及表干時(shí)間均達(dá)到溶劑型環(huán)氧富鋅底漆的要求。

2 實(shí)驗(yàn)

2. 1 原料

水性環(huán)氧樹(shù)脂A、B、C，國(guó)產(chǎn)；水性環(huán)氧樹(shù)脂D，進(jìn)口；聚酰胺固化劑，殼牌；鋅粉，國(guó)產(chǎn)；顏填料，國(guó)產(chǎn)；潤(rùn)濕分散劑，巴斯夫；消泡劑，布萊克本；防閃銹劑，美國(guó)瑞寶公司；流變助劑，EFKA公司；防沉劑，德國(guó)BYK公司；工業(yè)酒精，其他助溶劑，國(guó)產(chǎn)。

2. 2 儀器和設(shè)備

QCJ型漆膜沖擊器、QTX型漆膜柔韌性測(cè)定器、QFH型漆膜劃格器、鉛筆硬度實(shí)驗(yàn)儀，上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；鹽霧箱，東莞眾志檢測(cè)設(shè)備有限公司。

2. 3 涂料基本配方

涂料基本配方見(jiàn)表1。

表1 涂料基本配方Table 1 Basic formula of the paint

2. 4 涂料制備

(1) A組分：在適量助溶劑中加入一定量的潤(rùn)濕劑、分散劑、消泡劑、防沉劑、防閃銹劑，攪拌幾分鐘，然后依次加入樹(shù)脂、鋅粉及其他填料，高速分散20 min，檢測(cè)細(xì)度。當(dāng)細(xì)度小于50 μm時(shí)，慢速加入余料即可。

(2) B組分生產(chǎn)工藝與A組分類似。施工使用時(shí)，按樹(shù)脂與固化劑當(dāng)量比充分混合即可。

2. 5 性能測(cè)試及表征

把制得的涂料按照GB/T 1727–1992《漆膜一般制備法》制膜，常溫干燥7 d后，按照相應(yīng)國(guó)標(biāo)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)。測(cè)試項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 涂料性能測(cè)試項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Test items of coating performance and corresponding national standards

3 結(jié)果與討論

3. 1 基體樹(shù)脂的選擇

在涂料配方中，基體樹(shù)脂的功能在于黏結(jié)顏料，同時(shí)把底材和涂層結(jié)合成牢固的整體，以阻擋腐蝕介質(zhì)的侵蝕。由于基體樹(shù)脂對(duì)產(chǎn)品的防腐性能起著重要作用[4]，因此，選擇合適的樹(shù)脂對(duì)涂層的防腐性能而言非常重要。所以成膜物質(zhì)除具有良好的成膜性、附著力、耐久性等優(yōu)點(diǎn)之外，其作為黏結(jié)防腐蝕顏填料的載體，還應(yīng)對(duì)防腐蝕顏填料及助劑具有一定的親和性和潤(rùn)濕性。本實(shí)驗(yàn)選取4種常用的市售水性環(huán)氧樹(shù)脂，依據(jù)基礎(chǔ)配方制成涂料，使用同一種聚酰胺固化劑，按當(dāng)量比混合施工。所得涂膜的性能測(cè)試結(jié)果如表 3所示。

表3 不同水性環(huán)氧樹(shù)脂所得涂膜性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Performance test results of the films prepared by different water-based epoxy resins

水性環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧當(dāng)量對(duì)應(yīng)著水性環(huán)氧樹(shù)脂的分子量，兩者成正比關(guān)系。由表3中的結(jié)果可以看出，4種水性環(huán)氧樹(shù)脂分子量有如下關(guān)系：D ＞ C ＞ B ＞ A。水性環(huán)氧樹(shù)脂 C、D的相對(duì)分子質(zhì)量較大、分子鏈較長(zhǎng)，含有大量羥基和甲基，能給涂層提供良好的附著力和柔韌性。但D的分子量過(guò)大，羥基的親水性造成其耐化學(xué)介質(zhì)性能較差。由于水性環(huán)氧樹(shù)脂A和B的相對(duì)分子質(zhì)量較小，體現(xiàn)的性能正好與水性環(huán)氧樹(shù)脂D相反。樹(shù)脂B與固化劑混合后，固化所得的涂層剛性較大，而柔韌性和耐沖擊性較差；以樹(shù)脂A制備的涂層的物理機(jī)械性能和耐化學(xué)介質(zhì)均較好，但表干時(shí)間太長(zhǎng)。因此，試驗(yàn)選C作為涂料體系的基體樹(shù)脂。

3. 2 鋅粉用量對(duì)涂層防腐蝕性能的影響

鋅粉作為該涂層的主要顏料，其質(zhì)量好壞直接影響到富鋅底漆的防腐蝕性能[5]。當(dāng)金屬鋅含量高，其他元素含量低，則涂層的防腐性能相對(duì)較好，但體系成本偏高。本實(shí)驗(yàn)考察了國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的 600目鋅粉不同添加量對(duì)水性環(huán)氧富鋅底漆防腐蝕性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鋅粉用量對(duì)涂層防腐蝕性能的影響Table 4 Influence of the content of zinc powder on the performance of coatings

由表4可以看出，當(dāng)鋅粉含量低于40%時(shí)，涂層的耐鹽霧性較差；鋅粉含量大于 50%時(shí)，涂層的耐鹽霧性大于720 h；當(dāng)鋅粉含量為70%時(shí)，漆膜耐鹽水性較弱，在50 d時(shí)出現(xiàn)鼓泡。這是由于體系鋅粉太多，造成PVC過(guò)高，樹(shù)脂不能完全包覆粉料，漆膜空隙較大，使鹽離子滲透到板材所造成的。考慮到涂料成本，確定鋅粉的含量為50%。

3. 3 填料對(duì)涂層防腐蝕性能的影響

富鋅底漆中的主要顏料是鋅粉。為了降低鋅粉的含量，減少成本，同時(shí)減少焊接切割時(shí)產(chǎn)生的鋅霧，改善工作環(huán)境，研究了 3種常見(jiàn)的填料來(lái)代替部分鋅粉。3種填料在用量相同(均為10%)的情況下，其對(duì)水性環(huán)氧富鋅底漆防腐蝕性能的影響見(jiàn)表5。

表5 3種填料對(duì)涂層防腐蝕性能的影響Table 5 Effects of three types of pigments on corrosion protection performance of the coating

從表5可以看出，填料對(duì)體系耐水和耐鹽水性均無(wú)較大影響。在耐鹽霧方面，滑石粉性能較好。這是因?yàn)槠淦瑺罱Y(jié)構(gòu)能有效地阻止鹽霧滲透到鋼板，從而延緩了腐蝕時(shí)間。重質(zhì)碳酸鈣因干遮蓋較好，施工后顏色稍偏白，且貯存穩(wěn)定性沒(méi)有滑石粉好。硫酸鋇密度較大，在對(duì)比體系中沉淀最快。綜合以上分析，最后選用片狀滑石粉作為本實(shí)驗(yàn)的填料。

3. 4 不同助溶劑對(duì)涂層綜合性能的影響

本實(shí)驗(yàn)研究的水性環(huán)氧富鋅漆，在性能上要達(dá)到溶劑型富鋅漆的水準(zhǔn)，在施工性能上也要接近甚至超過(guò)溶劑型富鋅漆。因此，助溶劑的選擇也是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)選用無(wú)毒級(jí)助溶劑 a、b、c和 d，兼顧體系VOC的限量和成膜性，按10%添加量測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 助溶劑對(duì)涂層性能的影響Table 6 Influence of cosolvents on coating performance

從表6結(jié)果可看出，助溶劑a揮發(fā)太快，漆膜固化不完全，易造成附著力下降，耐鹽水、鹽霧性能也較差；助溶劑 c使體系表干性能良好，但其漆膜表面不理想；助溶劑 d性能良好，但其揮發(fā)慢，影響了漆膜表干時(shí)間。因此，以b和c按不同配比進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果如表7所示。

表7 助溶劑b和c不同配比對(duì)涂層性能的影響Table 7 Influence of different ratios of cosolvents b to c on coating performance

由表7得知，b和c的質(zhì)量比在2∶1時(shí)，表干時(shí)間為5 min，其他性能也較為理想。因此，本實(shí)驗(yàn)采用溶劑b和c以質(zhì)量比2∶1加入體系中。

3. 5 涂膜性能

按上述實(shí)驗(yàn)最佳配比，本實(shí)驗(yàn)得出涂膜的最終性能如表8所示。

表8 涂膜性能檢測(cè)結(jié)果Table 8 Test results of coating performance

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)不同水性環(huán)氧樹(shù)脂的篩選，確定樹(shù)脂C為本體系用基料。

(2) 測(cè)試不同含量鋅粉對(duì)體系的影響，確定 50% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋅含量能使體系有最佳的性價(jià)比。

(3) 添加 10%滑石粉作為體系填料，能有效降低體系成本，且不影響防腐性能。

(4) 選用醇醚類助溶劑b和c，并且當(dāng)b和c的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，涂膜的表干時(shí)間為5 min。

[1] 江洪申, 寧超峰, 陳安仁. 水性防腐蝕涂料的研究與發(fā)展概況[J]. 腐蝕與防護(hù), 2006, 27 (9): 433-437, 442.

[2] 顧根福. 鋅粉漆綜述[J]. 上海涂料, 2005, 43 (7): 39-43.

[3] 李焱. 富鋅涂料的研究及進(jìn)展動(dòng)態(tài)[J]. 上海涂料, 2009, 47 (1): 36-38.

[4] 張鵬, 王兆華. 丙烯酸樹(shù)脂防腐蝕涂料及應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003: 243.

[5] 楊振波, 楊忠林, 郭萬(wàn)生, 等. 鱗片狀富鋅涂層耐蝕機(jī)理的研究[J]. 中國(guó)涂料, 2006, 21 (1): 19-21.

[ 編輯：韋鳳仙 ]

Preparation of quick-drying waterborne epoxy zinc-rich primer //

CHEN Hai-hong*, CHEN Zhong-hua, XIA Zheng-bin, LIU Jing-fu

A quick-drying waterborne epoxy zinc-rich primer with good corrosion resistance was developed using waterborne epoxy resin as film-forming material and zinc powder as main anti-rust pigment. Some factors influencing on the corrosion resistance and drying performance of the epoxy zinc-rich primer were studied, including selection of water-based epoxy resins and fillers, dosage of zinc powder as well as type and combination of cosolvents. The results showed that the water-based epoxy zinc-rich primer has the optimal performance-to-price ratio and the surface drying time is 5 min, when water-based resin C is selected as main film-forming material, mass fraction of talc powder is 10%, zinc powder is 50% and cosolvent b is combined with c with a mass ratio of 2 : 1.

waterborne epoxy zinc-rich primer; zinc powder; corrosion resistance; quick-drying coating

School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

TG178; TQ638

A

1004 – 227X (2010) 09 – 0053 – 03

2010–05–18

2010–05–25

陳海洪（1981–），男，廣東四會(huì)人，在職碩士研究生，工程師，主要從事水性工業(yè)漆的研究開(kāi)發(fā)工作。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) kobechance@126.com。