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水性環氧防腐涂料的研制 

                                                                                    文章來自:中國防腐網
    摘要:以自制的環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氧防腐涂料。研究了涂料中顏基比、固化劑與環氧樹脂的當量比等對涂膜性能的影響。結果表明,顏基比小于 1,固化劑CEN-537 與環氧樹脂 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涂料相當。新研制的水性環氧防腐涂料性能達到了國外同類產品的水平。
    關鍵詞:水性環氧防腐涂料;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,隨著社會環保意識 的增強以及環保法規的日益嚴格,非溶劑型環保涂料 尤其是水性涂料得到了快速發展[1]。水性涂料的配方 相對比較復雜,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 性防腐涂料的技術難度較大,其發展相對于其他水性 涂料品種而言比較緩慢[4]。水性環氧涂料由于具有良 好的耐水、耐化學品性,尤其具有優異的附著力,從 而成為國外發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品。本實驗利用自制的環氧樹脂 乳液研制了水性環氧防腐涂料配方,并得到了性能良 好的防腐涂料產品。
    2 實驗部分
    2. 1 主要實驗材料
    環氧樹脂乳液 WEP-1、WEP-2 是環氧樹脂 E-44、 E-20 的乳狀液產品,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 公司產品,固含量為 55%,環氧當量(以固含量計) 為 485 ~ 555,與 WEP-2(其環氧當量為 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、滑石粉皆為國產工業級;消泡劑 BYK-034、BYK-1615 與潤濕分散劑 Disperbyk-191 為德國 BYK-Chemie 公司產品,潤濕分散劑 DP-518 為臺灣德謙公司產品,pH 值調節劑 AMP-95 為美國 ANGUS 公司產品,增稠劑 HX-5500 為廣州番禺華夏助劑公司產品。
    2. 2 實驗方法
    2. 2. 1 水性環氧防腐涂料的制備
    將顏填料、助劑、乳液按照以下配方預混合、研 磨分散、調漆等工藝步驟[6]制備涂料產品。
               

    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 察涂料是否發生反粗、沉淀、膠凝、結塊等現象。如 無以上現象發生,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滲性要求較高,根據圖 1 光 澤度–顏基比曲線,顏基比應在 1 以下,本實驗涂料配 方顏基比確定為 0.7。
    3. 2 固化劑與環氧樹脂當量比對涂膜性能的影響
    以 CEN-537 為固化劑,與環氧樹脂乳液 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 應性組分,固化后成為涂膜高分子結構中的一部分, 它的化學組成與加入量直接影響到涂膜的固化成膜過 程與涂膜的交聯結構,最終會影響到涂膜的性能。對 于不同的固化劑-環氧樹脂體系由于其分子量、分子結 構不同,各有其適宜的當量比?;費跏髦?nbsp;E-44 的環氧 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,當固化劑與環氧樹脂的當量比增 加時,固化膜分子的交聯密度增加,涂膜的光澤度、 硬度增加,同時對水、電解質等的滲透性降低,因此 其防銹性能大大提高。但固化物交聯密度的增加也使 得涂膜變脆,表現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,經高溫煅燒、核與外膜發生固相反應形 成化學結合的復合物,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 固的絡合物 Fe[Zn3(PO4)3] 沉淀層而抑制陽極反應(陽 極極化),鋅離子與陰極區的 OH–反應,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、羧基絡合,使顏料–漆料–底材之間形成化學結合從而提高涂層的附著力和抗滲性。 從表 2 可以看出,在研制的水性環氧防腐涂料體 系中,以磷酸鋅為活性防銹顏料的涂膜其防銹性能優 于以硅鉻酸鉛為活性顏料的涂膜,該實驗結果表明磷 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 質量往往起著決定性作用。本實驗以環氧當量相近的 自制環氧樹脂乳液 WEP-2 和 Shell 公司產品 EPI-REZ Resin 3520-WY-55為漆基按相同的配方和工藝制備水 性環氧防腐涂料,固化劑為 CEN-537,固化膜的性能 如表 3 所示。
         

    從表 3 可以看出,兩種涂料產品都表現出較好的 物理機械性能和優異的防銹性能,但漆膜抗強酸強堿 的能力有限,不能長時間經受強酸強堿的腐蝕,因此 本實驗研制的水性環氧防腐涂料更適合于大氣條件下金屬材料(如金屬橋梁、鋼結構等)的防銹涂料。實 驗結果表明,自制的環氧樹脂乳液防腐涂料已達到了 國外同類產品的技術水平,其主要性能指標與鐵道部 《鐵路貨車水性厚漿型涂料技術條件》要求基本相符。
    4 結論
    (1) 所研制的水性環氧防腐涂料體系,其顏基比 在 1.0 左右時涂膜的光澤度變化出現躍變。因此,顏 基比以小于 1.0 為宜。
    (2) 固化劑 CEN-537 與環氧樹脂 E-44 的胺氫與 環氧基當量比為 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、防銹性能優異。

    (4) 本實驗研制的水性環氧防腐涂料,各項性能指標達到了國外同類產品的技術水平,適合用作大氣條件下金屬材料的防銹涂料。
    參考文獻:
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    [7] 劉會元. 鹽基性硅鉻酸鉛的性能及其取代紅丹的可能性──鉛系放 銹顏料的進展[J]. 中國涂料, 1994 (4): 28-30.
    [8] 姜英濤. 涂料工藝(第五分冊)[M]. 2 版. 北京: 化學工業出版社, 1996: 28. [ 編輯:韋鳳仙 ]
   

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