環(huán)保型金屬防腐涂料性能關(guān)鍵影響因素研究

闕永生，劉杰，吳春春，毛國(guó)榮，王真，江李貝，申乾宏，樊先平，楊輝

（1.金華格靈功能涂層材料研究所有限公司，浙江金華 321016；2.浙江大學(xué)浙江加州國(guó)際納米技術(shù)研究院，浙江杭州 310027；3.浙江今飛摩輪有限公司，浙江金華 321000）

0 引言

一直以來(lái)，金屬材料以其優(yōu)異的性?xún)r(jià)比以及多樣化的工藝條件在材料領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的地位［1］，但金屬材料在使用過(guò)程中容易受周?chē)橘|(zhì)的侵蝕而發(fā)生腐蝕，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并帶來(lái)環(huán)境污染、資源浪費(fèi)等問(wèn)題［2-3］。因此，防腐涂料作為一種有效的金屬腐蝕防護(hù)手段，受到了科研院所及產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注［4］。

目前，溶劑型防腐涂料是金屬防腐涂裝所采用的主流產(chǎn)品，但其VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放問(wèn)題導(dǎo)致環(huán)保壓力日益加大［5］。2017年，我國(guó)發(fā)布了《綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià)-涂料》的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)環(huán)境友好型水性涂料的發(fā)展，逐步淘汰傳統(tǒng)的溶劑型防腐涂料。水性涂料具有價(jià)格低廉、裝飾性可調(diào)以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，原材料易得［6］。自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，特別是90年代以后，水性涂料獲得了快速發(fā)展，現(xiàn)已形成一個(gè)多品種、多功能、多用途、多規(guī)格的龐大體系，其產(chǎn)品主要分為以下3類(lèi)：水溶性涂料、水稀釋性涂料以及水分散性涂料（乳膠涂料）。

本研究選用水性硅溶膠與硅丙樹(shù)脂復(fù)配制備了一系列水性金屬防腐涂料，重點(diǎn)研究了配方及工藝中的關(guān)鍵因素對(duì)涂層外觀(guān)及性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

水性硅溶膠，金華格靈功能涂層材料研究所有限公司；水性硅丙樹(shù)脂，佛山市順德區(qū)地緣電子科技有限公司；云母，廣州藝峰化工科技有限公司；超細(xì)氧化鋁，杭州九朋新材料有限責(zé)任公司；超細(xì)玻璃粉、超細(xì)高嶺土、超細(xì)氧化鈣、超細(xì)滑石粉、超細(xì)晶須硅，深圳市海揚(yáng)粉體科技有限公司；超細(xì)氧化鋯，濟(jì)寧市中凱新型材料有限公司；顏料鉻綠GN-G-M、消光粉OK520、德固賽炭黑FW200，上海裕歡化工有限公司；鋁銀漿，蘇州博卡金屬顏料有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

紫外加速老化實(shí)驗(yàn)箱（UV test），ATLAS材料測(cè)試技術(shù)有限公司；阻抗測(cè)試儀器（P4000A），Ametek有限公司；附著力測(cè)定儀（QFD），上海榮計(jì)達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；涂膜鉛筆劃痕硬度計(jì)（QHQ），上海精密儀器儀表有限公司；水電分離鹽霧試驗(yàn)機(jī)（KD-908），東莞市科迪儀器有限公司；恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)。

1.3 涂料配方

所制備的水性金屬防腐涂料的配方如表1所示。

表1 參考配方Table 1 The reference formula

1.4 涂料制備

將顏填料、溶劑、相關(guān)助劑加入到料桶內(nèi)，在機(jī)械攪拌機(jī)攪拌下進(jìn)行預(yù)分散，然后把預(yù)分散液加到砂磨機(jī)料缸內(nèi)進(jìn)行研磨，研磨一定時(shí)間后，制成色漿。最后，把色漿、水性硅溶膠、水性硅丙樹(shù)脂、固化劑在機(jī)械攪拌器攪拌下混合一定時(shí)間，制得所需涂料。

1.5 樣板制備

噴涂：將制備好的涂料用紗布過(guò)濾后倒入噴槍料筒內(nèi)，采用噴涂工藝在清洗干凈的基片表面噴涂防腐涂層，噴霧量大小適中，膜厚20~30 μm，溫度較高（30 ℃以上）時(shí)，噴涂距離不可太遠(yuǎn)（100 mm以?xún)?nèi)）。

固化：噴涂完成的濕膜在室溫下靜置5~10 min后于90 ℃固化10 min，170 ℃固化30 min，冷卻至室溫，樣板制備完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料種類(lèi)的影響

本研究選擇了8種常用的填料（見(jiàn)表2）制備了不同的涂料。在涂層表面劃叉，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的5% NaCl中性鹽霧試驗(yàn)，通過(guò)觀(guān)察涂層劃痕處是否存在毛邊、銹蝕蔓延、起泡等情況，綜合評(píng)定涂層的防腐性能。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4#樣板有一定的銹蝕蔓延，且在劃痕處附近有小泡；5#樣板劃痕處也有小泡產(chǎn)生；8#樣板起泡最為嚴(yán)重，且氧化鋯對(duì)涂層顏色影響較大；3#樣板盡管沒(méi)有起泡和銹蝕蔓延的情況，但劃痕處有涂層脫落現(xiàn)象，說(shuō)明涂層附著力欠佳；1#、6#、7#樣板有輕微的毛邊現(xiàn)象；2#樣板外觀(guān)完好，性能最佳。

表2 填料對(duì)涂層防腐性能的影響Table 2 The effect of filler on the anticorrosion of coating

2.2 色漿研磨時(shí)間的影響

試驗(yàn)過(guò)程中每隔20 min記錄一次漿料的粒徑，直到120 min后漿料黏稠且流動(dòng)性顯著降低為止，漿料粒徑隨著研磨時(shí)間的變化如圖1所示。

圖1 色漿研磨時(shí)間對(duì)漿料平均粒徑及涂層耐鹽霧性能的影響Figure 1 Effect of grinding time on average particle size of paste and salt spray resistance of coating

由圖1可見(jiàn)，漿料平均粒徑隨研磨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，由原來(lái)的2.5 μm變?yōu)樽詈蟮?.47 μm，研磨時(shí)間< 60 min時(shí)，漿料的平均粒徑下降迅速，在20~40 min內(nèi)漿料粒徑變化最大，研磨時(shí)間> 60 min后，漿料的平均粒徑下降趨緩，尤其是研磨80 min之后，漿料的平均粒徑下降更為緩慢，而且此時(shí)漿料黏度較大，流動(dòng)性很差。此外，由漿料所配制的涂料的耐鹽霧性能隨著漿料研磨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，當(dāng)研磨時(shí)間為60 min時(shí)，涂料的耐鹽霧性能最好。

2.3 顏料的影響

本研究選用3種顏料分別配制了3種涂料樣品，研究發(fā)現(xiàn)，鉻綠和炭黑對(duì)涂料的防腐性能影響較小，而鋁銀漿對(duì)涂料的防腐性能影響較大。同時(shí)，鋁銀漿具有優(yōu)異的光反射能力和金屬光澤，制備的涂層具有明顯的“隨角異色效應(yīng)”，裝飾效果良好［7］。鋁銀漿粒徑的大小對(duì)涂層外觀(guān)的影響較大，因此本研究進(jìn)一步選用了不同粒徑的鋁銀漿制備涂料，考察了鋁銀漿粒徑對(duì)涂層外觀(guān)的影響，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)鋁銀漿粒徑為5 μm時(shí)，涂層表面較為細(xì)膩，白度較高，且存在閃光的現(xiàn)象。隨著鋁銀漿粒度的增加，涂層白度降低，閃光度逐漸增加，表面粗糙度也逐漸增加，“隨角異色效應(yīng)”增強(qiáng)。粒度為35 μm的鋁銀漿，其對(duì)應(yīng)涂層的閃光度相對(duì)最高，表面顆粒感強(qiáng)，可用于制備砂銀涂層；粒度為15~25 μm的鋁銀漿適合用于制備一般的銀白涂層和亮銀涂層；粒度為5 μm左右的鋁銀漿適合用于制備仿電鍍銀涂層。

圖2 不同粒徑鋁銀漿對(duì)涂層外觀(guān)的影響Figure 2 Effect of different particle size aluminum silver paste on the appearance of coating

2.4 消光粉添加量的影響

本研究還考察了消光粉添加量對(duì)涂層光澤度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)消光粉添加量由2%增加到3.5%時(shí)，涂層光澤度逐漸下降。進(jìn)一步測(cè)試表明，消光粉添加量分別為2%、2.5%、3%、3.5%時(shí)，對(duì)應(yīng)的涂層光澤度分別為32、23、15、10。

2.5 樹(shù)脂配比的影響

本研究采用了S1、S2兩種水性硅丙樹(shù)脂與水性硅溶膠復(fù)合配制涂料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)使用S1樹(shù)脂所得涂層在一定溫度下固化后，涂層表面不發(fā)黏且有一定的硬度，表明涂層已經(jīng)固化或者固化程度較高；而單獨(dú)使用S2樹(shù)脂所得涂層在同一固化溫度下固化后，涂層表面出現(xiàn)了發(fā)黏現(xiàn)象，說(shuō)明涂層沒(méi)有完全固化或者固化程度較低。為此，本研究進(jìn)一步對(duì)比了m（S1）∶m（S2）=5∶1和m（S1）∶m（S2）=1∶5兩種復(fù)配樹(shù)脂對(duì)涂層耐鹽霧性和耐水性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 S1和S2不同配比對(duì)涂層耐鹽霧性和耐水性的影響Figure 3 Effect of different ratios of S1 and S2 resins on salt spray resistance and water resistance of coating

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)m（S1）∶m（S2）=1∶5時(shí)，所制備的涂層在測(cè)試后出現(xiàn)了明顯的掉漆現(xiàn)象，進(jìn)而裸露出大量的基材，這表明S1在涂層力學(xué)性能方面起主導(dǎo)作用。

2.6 噴砂處理工藝的影響

對(duì)樣品進(jìn)行涂裝前的噴砂處理，并通過(guò)電化學(xué)阻抗試驗(yàn)研究了噴砂對(duì)涂層防腐性能的影響。將樣品浸泡于3.5%的NaCl溶液中，對(duì)不同浸泡時(shí)間后的樣品進(jìn)行性能測(cè)試，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，未經(jīng)噴砂處理的樣品在3 d、7 d和30 d的浸泡過(guò)程中，阻抗曲線(xiàn)形狀以及阻抗數(shù)值大小均變化較大，尤其是在30 d后在低頻區(qū)下降近3個(gè)數(shù)量級(jí)，而經(jīng)噴砂處理的樣品在整個(gè)浸泡過(guò)程中曲線(xiàn)形狀和阻抗數(shù)值大小均未發(fā)生明顯變化。由此可見(jiàn)，噴砂處理后，涂層附著力提高，進(jìn)而提高了其耐鹽霧性。

圖4 防腐涂層的阻抗曲線(xiàn)Figure 4 Impedance curve of anticorrosive coating

3 結(jié)語(yǔ)

采用水性硅溶膠與硅丙樹(shù)脂復(fù)配開(kāi)展金屬防腐涂料的制備研究，考察了配方、工藝中的關(guān)鍵因素對(duì)涂料的力學(xué)性能、防腐性能及耐久性能的影響，并優(yōu)化方案制備出性能優(yōu)異的環(huán)保型金屬防腐涂料。該涂料水性環(huán)保，實(shí)現(xiàn)了防腐、裝飾功能的一體化集成，縮短了涂裝工期及成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。