鋼結(jié)構(gòu)輕防腐用水性丙烯酸底漆的制備

劉敏換，張博曉，裴 勇，張 培

(廣州集泰化工股份有限公司，廣東 廣州 510700)

鋼結(jié)構(gòu)常用于工程結(jié)構(gòu)中，如橋梁、工業(yè)廠房、建筑工地用房和塔架等。為延長(zhǎng)使用壽命，鋼結(jié)構(gòu)涂裝防腐漆是一種簡(jiǎn)單而有效的方式[1]。隨著行業(yè)對(duì)環(huán)保要求的提高，鋼結(jié)構(gòu)防腐漆逐步水性化，特別是輕防腐市場(chǎng)。同時(shí)，輕防腐水性漆市場(chǎng)進(jìn)入了紅海期[2]，市售產(chǎn)品形形色色，性能差異大，腐蝕防護(hù)性和施工性方面的問題頻出，影響了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

由于高性價(jià)比和低氣味，丙烯酸酯乳液的應(yīng)用日益廣泛。其中，水性單組份丙烯酸漆應(yīng)用于金屬防腐領(lǐng)域，能夠在輕腐蝕環(huán)境為工件提供有效的防護(hù)，提高使用壽命。如何提高漆膜的抗腐蝕性是當(dāng)前水性丙烯酸防腐漆要解決的關(guān)鍵問題之一。本文考察了苯丙乳液、顏填料、防閃銹劑和pH調(diào)節(jié)劑對(duì)水性丙烯酸底漆防腐性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原料

苯丙乳液A、B、C和D，上海保立佳化工股份有限公司；防銹顏料A，湘潭雙馬世紀(jì)新材料有限公司；防銹顏料B，海博；防銹顏料C，江陰愛帝達(dá)化工有限公司；防閃銹劑A和防閃銹劑B，廣州市雙聚化工產(chǎn)品有限公司；防閃銹劑C，上海深竹化工科技有限公司；pH調(diào)節(jié)劑A，廣州市科峰化工有限公司； pH調(diào)節(jié)劑B，廣東順德維翔建材科技有限公司；鍶鉻黃、亞硝酸鈉、氨水、N，N-二甲基乙醇胺DMEA、滑石粉、云母粉等，市售。

1.2 主要儀器設(shè)備

斯托默粘度計(jì)、BGD750/1 型攪拌砂磨分散多用機(jī)，廣州標(biāo)格達(dá)實(shí)驗(yàn)室儀器用品有限公司；CZ290A型精密型鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)，廣東眾志檢測(cè)儀器有限公司；PHS-25型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.3 水性丙烯酸底漆的制備

水性丙烯酸底漆的組成如表1所示。

表1 水性丙烯酸底漆的配方Table 1 Formulation for waterborne acrylic primer

按照配方量，在分散缸中加入水，在高速攪拌分散的條件下，依次加入分散劑、消泡劑和顏填料，高速分散10 min后進(jìn)行砂磨至細(xì)度不超過(guò)50 μm。然后，往漿料中加入樹脂，中速攪拌，再依次加入pH調(diào)節(jié)劑、成膜助劑、防閃銹劑和剩余的消泡劑，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅徛尤朐龀韯┲吝m當(dāng)?shù)恼扯龋^(guò)濾即得水性丙烯酸底漆。

1.4 性能測(cè)試

參照HG/T 5176-2017《鋼結(jié)構(gòu)用水性防腐涂料》，制備測(cè)試樣板和測(cè)試涂料及漆膜的性能，配套面漆為我司的水性丙烯酸面漆JT-204M。閃銹抑制性的測(cè)試板材為噴砂鋼板和埋弧焊的T型鋼(焊縫長(zhǎng)度15 cm，寬度1 cm)，測(cè)試環(huán)境的相對(duì)濕度≥90，測(cè)試時(shí)間≥4 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 成膜樹脂的選擇

成膜樹脂是涂料的基礎(chǔ)，它的功能官能團(tuán)、乳膠粒子和玻璃化溫度等差異，對(duì)漆膜性能有著重要的影響。在其它條件相同的情況下，分別使用苯丙乳液A、B、C和D這四種苯丙乳液制備涂料，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同樹脂的漆膜性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of the properties of different resins

從表2的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，苯丙乳液A的耐水性和耐鹽霧性優(yōu)于其它三種苯丙乳液，更適合用于輕防腐底漆。

2.2 顏填料對(duì)漆膜性能的影響

顏填料是色漆不可或缺的組分，提供裝飾性的同時(shí)，可改善漆膜的物化性能，還可賦予漆膜阻燃、導(dǎo)電、屏蔽等特殊功能[3]。顏填料的種類和用量，直接影響著原材料成本、涂料和漆膜的性能。

2.2.1 顏填料體積濃度(PVC)

為將成本優(yōu)勢(shì)最大化，鋼結(jié)構(gòu)輕防腐用水性漆的顏填料用量往往比較大。在其它條件相同的情況下，以苯丙乳液A為成膜樹脂，控制成膜樹脂的用量，制備不同PVC的涂料，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 PVC對(duì)涂料性能的影響Table 3 Effect of PVC on the properties of coating

PVC在35%～40%，漆膜的性能基本不變；PVC到45%，漆膜的耐鹽霧性能和附著力有些下降；PVC到50%，涂料的穩(wěn)定性不好，在調(diào)漆和貯存過(guò)程會(huì)出現(xiàn)返粗，且漆膜的耐鹽霧性和附著力出現(xiàn)了明顯的下降。顏填料的用量較高時(shí)，即顏填料體積濃度(PVC)較高，成膜樹脂不足以潤(rùn)濕和包裹顏填料粒子，所形成的漆膜內(nèi)會(huì)出現(xiàn)“空穴”，漆膜的黏結(jié)強(qiáng)度和封閉性變差，抗腐蝕介質(zhì)滲透能力變?nèi)酰崮さ哪透g性下降[4]。綜合來(lái)看，PVC設(shè)為40%～45%，漆的性價(jià)較高。

2.2.2 顏填料的種類

防腐底漆的顏填料體系主要包括著色顏料、體質(zhì)顏料和防銹顏料。其中，體質(zhì)顏料的占比一般較高，對(duì)漆膜的綜合性能影響比較大。常用的體質(zhì)顏料有：碳酸鈣、硫酸鋇、滑石粉和云母粉等。在其它條件相同的情況下，選擇4種不同的體質(zhì)顏料(添加量為28%)制備涂料，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 填料種類對(duì)涂料性能的影響Table 1 Effect of the type of filler on the properties of coating

從表4可看出，與重質(zhì)碳酸鈣和天然硫酸鋇相比，使用滑石粉和絹云母粉的漆膜不容易起泡，具有更好的耐鹽霧性。滑石粉和絹云母粉具有獨(dú)特的片狀結(jié)構(gòu)，在漆膜中平行重疊排列，延長(zhǎng)了腐蝕介質(zhì)滲透漆膜的路徑長(zhǎng)度，具有良好的物理屏障作用，提高了涂膜的耐腐蝕性。由此看來(lái)，顏填料在防腐漆的應(yīng)用中非常重要，合理利用顏填料的品種和顆粒形貌能有效的提升漆膜的性能[5]。但是，云母粉的吸油量較大，對(duì)涂料的流變性和穩(wěn)定性影響較大，用量不宜過(guò)高。綜合考慮，復(fù)配使用重質(zhì)碳酸鈣(20%)和滑石粉(8%)制備的水性丙烯酸底漆具有較高的性價(jià)比。

防銹顏料是水性防腐底漆重要的組成部分，它與體質(zhì)顏料的協(xié)同效應(yīng)，能大大的提升漆膜的后期耐腐蝕性。部分防銹顏料的防銹活性高，對(duì)水性漆的閃銹抑制性有一定的增強(qiáng)作用。在添加一定量防閃銹劑A的情況下，考察了鍶鉻黃及防銹顏料A、B、C對(duì)水性丙烯酸底漆性能的影響，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 防銹顏料的種類對(duì)涂料性能的影響Table 5 Effect of the type of antirust pigment on the properties of coatings

由表5可知，埋弧焊比噴砂鋼板容易閃銹。同時(shí)，鍶鉻黃、防銹顏料A和B能提高涂料的抗閃銹性和耐鹽霧性能，尤其鍶鉻黃，而防銹顏料C的早期防銹性能不理想，且對(duì)漆膜的早期耐水性有負(fù)面影響。與鍶鉻黃相比，防銹顏料A和B的早期防銹活性不足，難以克服閃銹問題。鍶鉻黃的防銹活性高，能迅速在基材表面形成有效的保護(hù)膜[6]，但含六價(jià)鉻。因此，本文選用防銹顏料B主要防銹顏料，鍶鉻黃作為輔助防銹顏料。

2.3 防閃銹劑對(duì)漆膜性能的影響

目前，水性漆主要通過(guò)添加防閃銹劑解決鋼構(gòu)件的焊縫閃銹，如亞硝酸鹽、磷酸鹽、苯并三唑和有機(jī)螯合物等等。防閃銹劑的種類和用量對(duì)水性漆的抗閃銹性和漆膜的耐久性有較大的影響。在添加一定量防銹顏料B和鍶鉻黃的情況下，考察了亞硝酸鈉、防閃銹劑A、B和C四種閃銹劑對(duì)水性丙烯酸底漆性能的影響，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 防閃銹劑種類對(duì)涂料性能的影響Table 6 Effect of the type of anti-flash rust agent on the properties of coating

由表6可知，防閃銹劑A、B的閃銹抑制效果優(yōu)于防閃銹劑C，而防閃銹劑C優(yōu)于亞硝酸鈉。同時(shí)，防閃銹劑A 和C有助于提高漆膜的抗鹽霧性能，防閃銹劑B對(duì)漆膜的耐水性有明顯的負(fù)面影響。綜合表5和表6，搭配使用防閃銹劑和防銹活性高的防銹顏料能夠更好地抑制腐蝕的產(chǎn)生，保證水性漆的施工可靠性。

2.4 pH調(diào)節(jié)劑對(duì)漆膜性能的影響

pH 值對(duì)水性漆貯存穩(wěn)定性、施工性及漆膜性能有較大的影響。對(duì)此，本論文選擇了4種不同的pH調(diào)節(jié)劑進(jìn)行比較，結(jié)果如表7所示。

表7 pH調(diào)節(jié)劑種類對(duì)涂料及漆膜性能的影響Table 7 Effect of the type of pH regulator on the properties of coating

DMEA和氨水是常用的pH調(diào)節(jié)劑，能有效地提高水性漆的貯存穩(wěn)定性，但氣味較大。pH調(diào)節(jié)劑A和B為多功能助劑，含有抗閃銹組分，氣味較小。由上表可知，相對(duì)于無(wú)pH調(diào)劑配方，含pH調(diào)節(jié)劑的漆具有較好的穩(wěn)定性和早期抗銹能力。氨水、DMEA、pH調(diào)節(jié)劑A和B的pH調(diào)節(jié)效率依次增高，其中DMEA和pH調(diào)節(jié)劑A對(duì)漆膜的早期耐水性沒有明顯的影響。本文選用pH調(diào)節(jié)劑A，以提升漆的綜合性能。

3 結(jié) 論

在環(huán)保新常態(tài)的引領(lǐng)下，低VOC的水性漆具有巨大的發(fā)展空間，高性能、環(huán)保化和低成本已成為水性防腐漆的發(fā)展方向。對(duì)于金屬用水性防腐漆，底漆是涂料配套體系中重要的涂層，要求它對(duì)基材有優(yōu)異的附著力以及良好的早、后期耐腐蝕性。目前，輕防腐水性漆用高效無(wú)毒的防銹顏料亟待開發(fā)，為綠色環(huán)保水性漆助力。