水性丙烯酸防腐涂料的制備及其應用

劉承泰 （中遠關西涂料化工（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

近年來，人們在使用溶劑型涂料的過程中向大氣排放了大量的揮發性有機化合物（Volatile Organic Compound，VOC），造成了嚴重的大氣污染，破壞了生態環境［1-3］。因此隨著環保壓力日趨嚴苛，采用環保型涂料替代溶劑型涂料已經迫在眉睫。水性涂料因其較低的VOC優勢被人們所重視［4-6］。如今，在集裝箱領域，水性涂料替代油性涂料正在穩步推進。但是相對于溶劑型涂料，水性涂料的防腐性能較差，尤其是水性丙烯酸涂料，需要提高其防腐性能來應對惡劣的腐蝕環境。

通過對水性丙烯酸涂料的防腐性能進行了研究，制備出一款具有良好防腐性能的水性丙烯酸涂料，并在集裝箱領域得到成功應用。

1 試驗部分

1.1 原料和儀器

原料：消泡劑，Tego；分散劑，BYK；水性丙烯酸樹脂，巴德富；基材潤濕劑，Tego；流平劑，Tego；觸變劑，DOW；防霉劑，伊士曼；殺菌劑，DOW；成膜助劑，DOW；蒸餾水，自制；防閃銹助劑，普為。

儀器：細度板，天津市精科材料；高速分散機，德國VNA-GETZMANN公司；膜厚儀，德國尼克斯；光澤儀，德國BYK公司；色差儀，上海一恒科學儀器有限公司；QUV加速老化試驗箱，美國Q-LAB；鹽霧箱，美國實驗室產品；天平，德國賽多利斯。

1.2 水性丙烯酸涂料的配方

水性丙烯酸涂料的配方如表1所示。

表1 水性丙烯酸涂料的配方Table 1 The formula of waterborne acrylic coatings

1.3 性能指標

參照HG/T 4758—2014《水性丙烯酸樹脂涂料》標準的要求，對制得的水性丙烯酸涂料進行性能測試，結果如表2所示。

2 結果與討論

2.1 水性丙烯酸樹脂的影響

樹脂作為基本的成膜物質，對防腐涂料的防腐性能起著關鍵作用。在防腐領域，優質的樹脂需要具備2個基本性能：一是較好的阻隔性能，可以阻隔水汽、氧氣等腐蝕介質，防止金屬介質的腐蝕；二是樹脂與金屬基材之間有良好的附著力，防止涂層從金屬基材表面脫落，從而失去防護性能［7］。丙烯酸樹脂通常由（甲基）丙烯酸和（甲基）丙烯酸酯類單體在水介質中聚合制得，如圖1所示。但是與雙組分環氧樹脂相比，單組分丙烯酸樹脂防腐性能較差。目前可以通過兩種方法來提高其防腐性能：一是采用具有核殼結構的乳液，將防護性能優良、玻璃化轉變溫度較高的部分置于核部分，將附著力較好、玻璃化轉變溫度較低的結構置于殼部分，從而使樹脂兼具阻隔和附著的能力；二是采用具有自交聯結構的乳液，在施工后漆膜可以進行適當地交聯，從而提升防腐性能。本研究中選用的水性丙烯酸樹脂是一種苯丙共聚物乳液，苯乙烯含量低，可避免因苯乙烯含量較高而引起的附著力和柔韌性欠佳、耐沖擊效果略差的問題，以確保其具有良好的保光保色性和抗粉化的能力。乳液的最低成膜溫度較低，有良好的附著力以及與普通防銹顏料的配伍性，賦予涂膜良好的耐腐蝕性和耐溶劑性能。

表2 水性丙烯酸涂料的性能Table 2 Performances of waterborne acrylic paint

圖1 丙烯酸樹脂的制備Figure 1 Preparation of acrylic resin

2.2 填料的影響

填料主要從物理和化學兩個方面來改善涂料的防腐性能。與硫酸鋇相比，滑石粉、云母粉等片狀填料能更好地提供阻隔性能，減緩腐蝕物質對基材的腐蝕。但是滑石粉和云母粉的加入對面漆的光澤會有影響，因此，需要根據具體需求選擇填料的種類以及添加量。磷酸鋅等填料雖然能夠通過與金屬基材的反應，使金屬鈍化，進而提高其防腐性能，但是這樣會降低水性丙烯酸樹脂的穩定性，這是因為磷酸鋅等填料的加入會產生Zn2+，進而破壞乳液的穩定性，因此在選擇磷酸鋅時，還需要考察其對乳液穩定性的影響。另一類非常重要的填料是納米填料，如納米二氧化鈦等。納米粒子所具有的表面效應和小尺寸效應賦予其特殊的性質，將納米粒子填充到涂料中來提高涂料的附著力，進而提高防腐性能［8］。本研究中采用的填料微溶于水，為白色防銹顏料，在涂層下持續溶解時可電離出P3O105-，從而形成一種不溶的鈍化膜，鈍化膜的硬度高，附著力優異。通過將上述環境友好型的防銹顏料進行復合搭配，所得涂膜具有優異的防腐蝕效果。

2.3 成膜助劑的影響

水性涂料的成膜方式與溶劑型涂料不同，主要是通過溶劑的蒸發，乳液粒子不斷靠近后緊密排列，再擠壓變形，最后成膜。在成膜時，借助成膜助劑將粒子進行溶脹，從而使不同粒子進行融合，形成致密的膜。成膜助劑的沸點通常較高，揮發速率較低。但若揮發速率過慢，則會影響漆膜的干燥速率。另外，成膜助劑的用量也非常重要，若用量過少，則影響成膜效率和成膜質量；若用量過多，則影響干燥速率同時增加VOC含量。因此，成膜助劑的選擇至關重要。在本研究中，所選的助溶劑的醇酯十二，它既是聚合物的強溶劑，能降低聚合物的玻璃化溫度，同時又具有較好的相容性，易被樹脂吸附而有優異的聚結性能，微弱的水溶性，優良的揮發速度，成膜前保留在聚合物中，成膜后能完全揮發。

3 應用

根據以上研究結果，按照表1配方研制出水性丙烯酸防腐面漆，按照集裝箱產品配套的要求進行噴涂。具體配套工藝為：水性環氧富鋅底漆（30 μm）+水性環氧中間漆（40 μm）+水性丙烯酸面漆（40 μm）；烘干工藝為：底漆（60 ℃，20 min）+中間漆（55 ℃，30 min）+面漆（70 ℃，20 min）。施工完成后進行配套涂層的性能測試，結果見表3。

表3 水性集裝箱配套涂層的性能Table 3 Performances of waterborne container coating system

集裝箱涂料目前的主要難題：首先是在施工過程中，集裝箱面積大，側面垂直噴涂，當噴涂漆膜較厚時，容易產生流掛；其次在集裝箱底漆、中涂和面漆施工過程中，必須對每一個涂裝工序進行充分烘烤，加快干燥速度［9］，卻容易出現因涂膜表層和涂膜本體的干燥速度不一致而導致的針孔、開裂、氣泡等涂膜弊病。因此，為了保證更好的施工性能，對面漆的干燥性和流掛性能要求較高。本研究中的水性丙烯酸面漆產品在現場應用過程中，施工便利，干燥較快，漆膜表面較好，完全能夠替代油性產品，在保證防腐性能的同時降低了VOC的排放。

4 結語

通過對水性丙烯酸樹脂、填料、成膜助劑等影響因素進行研究，選擇了自交聯核殼結構的苯丙乳液為成膜物，水解穩定性好、揮發性低的醇酯十二作為成膜助劑，并通過填料、防銹顏料的合理復配，制備出了兼具防腐性能和施工性能的水性丙烯酸涂料，并成功應用于集裝箱防腐領域。