水性淺色防靜電隔熱防腐涂料的研制

劉成樓，譚 勇，李淑芹，鄭德榮（新華都特種電氣股份有限公司，北京 101102）

水性淺色防靜電隔熱防腐涂料的研制

劉成樓，譚 勇，李淑芹，鄭德榮（新華都特種電氣股份有限公司，北京 101102）

以雙組分水性聚氨酯為成膜物、以鈦白粉為顏料、以磷酸鋁鋅為防銹顏料、以導(dǎo)電鈦酸鉀纖維、石墨烯為導(dǎo)電填料，在功能助劑的配合下，制得兼具防靜電性、隔熱性、防腐性的多功能涂料。涂膜的體積電阻率達到3.10×105Ω·m，太陽吸收比達到0.50，半球發(fā)射率達到92%，耐鹽霧性達到1 500 h，具有良好的耐化學(xué)介質(zhì)性和耐候性。

淺色涂料；聚氨酯涂料；防靜電；防腐涂料

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，改善民生、保護環(huán)境、節(jié)約資源、節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟已成為我國的基本國策。目前，國內(nèi)應(yīng)用于航天器、石油管道、儲油罐、鉆井平臺、工業(yè)設(shè)備等的防靜電涂料，主要是以環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯等為成膜物的溶劑型涂料，由于溶劑揮發(fā)，既浪費能源又污染環(huán)境，還存在著安全隱患。雙組分水性聚氨酯涂料不僅具有溶劑型雙組分聚氨酯涂料硬度高、耐介質(zhì)性好、成膜溫度低和附著力強等優(yōu)點，而且揮發(fā)性有機化合物（VOC）含量極低［1］，是一種性能與環(huán)保兼具的高品質(zhì)涂料。

在航空航天、艦船、裝甲車、油氣儲罐等領(lǐng)域，其表面涂層不僅要具有良好的導(dǎo)靜電性，還要有良好的隔熱降溫性和防腐性。本研究以雙組分水性聚氨酯為成膜物、以鈦白粉為白色顏料、以磷酸鋁鋅為防銹顏料、以導(dǎo)電鈦酸鉀纖維、石墨烯為導(dǎo)電填料，在功能助劑的配合下，制得兼具防靜電性、隔熱性和防腐性的多功能涂料［2-4］。

1 試驗部分

1.1 原材料

羥基丙烯酸分散體、改性聚酯分散體、改性HDI異氰酸酯，拜耳公司；金紅石型鈦白粉CR826，澳洲科美基；磷酸鋁鋅，進口；導(dǎo)電鈦酸鉀纖維ECP-TF，北京特保導(dǎo)電粉體材料發(fā)展中心；石墨烯，成都有機化學(xué)有限公司；分散劑，科寧公司；潤濕劑、消泡劑、流平劑，迪高公司；防霉殺菌劑、增稠劑、成膜助劑，陶氏公司。二甲基乙醇胺，市售。

1.2 參考配方

水性淺色防靜電隔熱防腐涂料的參考配方見表1。

表1 水性淺色防靜電隔熱防腐涂料的參考配方Table 1 The reference formula of waterborne light-colored anti-static thermal insulating anticorrosion coatings

1.3 制備工藝

（1） 石墨烯水性漿料的制備：將適量分散劑、潤濕劑、消泡劑、多功能胺助劑加入至96份去離子水中，攪拌分散均勻，緩慢加入3份石墨烯粉，分散均勻后超聲波振蕩0.5 h，再經(jīng)納米研磨機研磨，制成3%的石墨烯漿料；

（2） A組分的制備：將去離子水加入分散罐中，中速攪拌下加入分散劑、潤濕劑、消泡劑、流平劑、防霉劑、pH調(diào)節(jié)劑、金紅石型鈦白粉、磷酸鋁鋅和導(dǎo)電鈦酸鉀纖維，高速分散30 min，研磨至細(xì)度達30 μm，制得顏料漿。將上述顏料漿加入調(diào)漆罐中，中速攪拌下加入石墨烯漿料、羥基丙烯酸分散體、改性聚酯分散體以及成膜助劑、消泡劑、增稠劑，攪拌20 min，過濾、包裝。

B組分：氨基磺酸鹽改性HDI異氰酸酯單獨包裝。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性樹脂的選擇［5-7］

2.1.1 水性羥基樹脂的選擇

水性羥基樹脂可分為初級分散體（乳液聚合法合成）和二級分散體（溶液聚合法合成）。初級分散體相對分子質(zhì)量較大，并且不含共溶劑，干燥速度較快，適宜制備亞光漆，耐水性、耐化學(xué)品性較差；二級分散體一般為中等相對分子質(zhì)量，含有10%左右的共溶劑，在交聯(lián)密度相同的情況下，二級分散體與親水HDI異氰酸酯配漆可獲得光澤度高、綜合性能更優(yōu)的涂膜。

通過大量試驗優(yōu)選，最終選擇了羥基丙烯酸酯二級水分散體和改性羥基聚酯二級水分散體，前者固化后的涂膜硬度高、柔韌性好、光澤高、豐滿度高、具有良好的耐候性、耐光性和優(yōu)異的耐化學(xué)品性，可用于重防腐面漆；后者固化后的涂膜具有優(yōu)異的柔韌性、耐磨性、耐水性、耐候性，可與羥基丙烯酸分散體混拼使用制備柔性面漆。以羥基丙烯酸酯二級水分散體為主、以改性羥基聚酯二級水分散體為輔，兩者以適當(dāng)比例混拼后，其固化涂膜不但兼具兩者各自的特性，而且還具有疊加效應(yīng)。

2.1.2 親水性聚異氰酸酯固化劑的選擇

新一代親水改性聚異氰酸酯固化劑，是由氨基磺酸鹽改性的HDI三聚體，可以減少乳化劑用量，交聯(lián)后的涂膜在干性、硬度、耐化學(xué)品性等方面有進一步提高，且能得到低黏度、100%固含量的產(chǎn)品，使用時無需溶劑稀釋，可制備極低VOC的水性涂料［5］，親水改性聚異氰酸酯固化劑的特性如表2所示。

表2 親水改性聚異氰酸酯固化劑的特性Table 2 The characteristics of hydrophilic modified polyisocyanate curing agents

本研究選用XP 2547作為固化劑，它的突出特點在于黏度低，易于在低剪切力下分散均勻且無需溶劑稀釋，—NCO含量高，快干，具有較低的親水性，在易混合的基礎(chǔ)上，避免了耐水性等方面的損失，可有效提高涂膜的耐化學(xué)品性，適用于高性能雙組分聚氨酯涂料。

2.1.3n（—NCO）/n（—OH）配比的選擇

雙組分聚氨酯涂料配制技術(shù)的關(guān)鍵之一是確定恰當(dāng)?shù)膎（—NCO）/n（—OH）比例，在水性雙組分PU涂料中，—NCO基除了與—OH基反應(yīng)外，還能與水、胺等發(fā)生副反應(yīng)，故—NCO基必須過量，在配方中其他因素不變的條件下，改變n（—NCO）/n（—OH）比例，其對涂層性能的影響見表3。

表3 n（—NCO）/n（—OH）對2K水性PU涂層性能的影響Table 3 The influence of n（—NCO）/n（—OH） on performance of 2K waterborne PU coating

由表3可見：隨著n（—NCO）/n（—OH）比例的提高，雙組分水性PU涂層的拉伸強度先降后升，斷裂伸長率則先升后降，耐磨性逐步提高，耐沖擊性較平穩(wěn)，當(dāng)n（—NCO）/n（—OH）配比達2.0時，涂層耐沖擊性開始下降。這是因為隨著涂料體系中n（—NCO）/n（—OH）比例的提高，涂膜的交聯(lián)密度增加，斷裂伸長率上升，拉伸強度略有下降。涂層的耐磨性與其摩擦系數(shù)、脆性、回彈性有關(guān)，涂層硬而脆則磨損大，涂層柔韌則磨損小，在保證涂層具有較高強度的前提下，提高涂層的斷裂伸長率和恢復(fù)率，是提高涂層耐磨性、耐沖擊性的有效途徑。

由表3可見 ：當(dāng)n（—NCO）/n（—OH）=1.4~1.8時，涂層的各項性能達到最佳，—NCO基過量太多會延長涂層的干燥時間，增加涂料和涂裝成本，從性價比考慮，取n（—NCO）/n（—OH）=1.4為宜。

2.2 顏填料的選擇

2.2.1 白色顏料的選擇

在涂料配方設(shè)計中，白色顏料首選金紅石型鈦白粉。金紅石型鈦白粉是目前已知功能顏料中折光指數(shù)最高（2.8）的白色顏料，其光反射率達到80%，具有遮蓋力強、折光指數(shù)高、太陽光反射系數(shù)大、耐候性好、耐化學(xué)品腐蝕等優(yōu)點。在保證涂層體積電阻率較低、太陽反射比盡可能高的前提下，在水性淺色防靜電隔熱防腐涂料配方中添加適量金紅石型鈦白粉，可以提高涂料的綜合性能。

2.2.2 防銹顏料的選擇

磷酸鋁鋅是磷酸鋅改性后的第二代防銹顏料，兼有磷酸鋅和磷酸鋁的雙重特性，其在電化學(xué)防腐性能、與漆膜的相容性、漆膜的屏蔽作用、漆膜與基料的附著力等方面都有改進。磷酸鋁鋅遇水容易發(fā)生離解和水解，生成磷酸鹽離子，磷酸根與鐵銹離子反應(yīng)，形成難溶且緊密的磷酸附著層，引起陽極極化；而鋅、鋁離子與陰極區(qū)的OH-反應(yīng)，生成難溶物而引起陰極極化，具有緩蝕、鈍化作用［8］。另外磷酸鋁鋅還具有良好的光學(xué)性能，對太陽光熱有較高的反射率和遠(yuǎn)紅外發(fā)射率，其用量達到8%~12%時，涂層的光學(xué)性能和防腐性能較好。

2.2.3 導(dǎo)電填料的選擇

（1） 導(dǎo)電鈦酸鉀晶須纖維

導(dǎo)電鈦酸鉀晶須是在鈦酸鉀晶須的基礎(chǔ)上，采用納米技術(shù)，通過表面處理、半導(dǎo)體摻雜處理，使其基質(zhì)表面形成導(dǎo)電氧化層而制得的。其外觀呈淺灰色纖維粉狀，平均直徑0.4~0.7 μm，平均長度10~20 μm，長徑比60左右，電阻率lt;100 Ω·cm，1 300℃以下使用穩(wěn)定，密度3.4~4.0 g/cm3，表觀密度0.2~0.4 g/cm3，比表面積15~30 m2/g，莫氏硬度4，拉伸強度7 GPa，拉伸模量280 GPa。這種導(dǎo)電晶須保持了原有鈦酸鉀晶須的優(yōu)良物理化學(xué)性質(zhì)，而且增加了在冷熱環(huán)境下均勻穩(wěn)定的導(dǎo)電性能及吸波性能；其用量少，只需添加約為其他導(dǎo)電填料量的1/3~1/2，即可得到所需的導(dǎo)電效果，當(dāng)其添加量為15%~20%（固含量質(zhì)量百分比）時，制品電阻104~106Ω·cm；耐高溫，即使在600℃空氣中使用，其導(dǎo)電性也不改變；顯微填充性好，在體系中分散均勻；增強效果好，可顯著提高涂層的耐折曲性和抗沖擊性；工藝性好，可按需求設(shè)計適當(dāng)?shù)碾娮柚?，并可任意著色?/p>

（2） 石墨烯

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是一種新型的由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角形呈蜂窩晶格的平面薄膜，是世界上最薄、最堅硬的納米“超級材料”，硬度超過鉆石，同時又像橡膠一樣可以伸展。它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達5 300 W/（m·K），高于碳納米管［3 000 W/（m·K）］和金剛石。常溫下其電子遷移率超過15 000 cm2/（V·s），比碳納米管或硅晶體高，而電阻率僅約10-6Ω·cm，比銅或銀更低，為世界上電阻率最小的材料。它在涂料中主要應(yīng)用于導(dǎo)電涂料、防腐涂料、阻燃涂料、導(dǎo)熱涂料和高強涂料等領(lǐng)域［9-11］。

2.3 助劑的選擇

2.3.1 分散劑的選擇

顏填料在水性涂料中的分散均勻程度，直接影響到涂料的外觀、貯存穩(wěn)定性和物化性能，因此分散劑的選擇至關(guān)重要。在其它配方因素相同的條件下，不同品種分散劑對水性淺色防靜電隔熱防腐涂料性能的影響見表4。

表4 不同品種分散劑對涂料性能的影響Table 4 The influence of different kinds of dispersant on coatings performance

由表4可見，在水性淺色防靜電隔熱防腐涂料中，分散劑采用SN5040時，涂料出現(xiàn)增稠、凝膠現(xiàn)象，丙烯酸疏水共聚物分散劑731A或3275，則兼具潤濕和分散作用，能防止顏填料絮凝、保持顏色穩(wěn)定、降低研磨料黏度、改善涂料的貯存穩(wěn)定性，且光澤較高。

2.3.2 基材潤濕劑的選擇

雙組分水性聚氨酯涂料以水為介質(zhì)，水的表面張力高（72.5 mN/m），對底材和顏填料的潤濕性差，涂料的附著力和流平性欠佳。因此，必須選擇有強降表面張力作用的表面活性劑，以便能夠快速地在固/液界面上定向吸附，降低固/液界面張力，增進涂層的附著力，改善涂料的流動鋪展和流平性。通過對基材潤濕劑的對比試驗，最終選擇了迪高公司的Wet 280和245。其具有強烈降低表面張力作用，并能改進涂料對底材的附著力和流平性，無（或稍有）穩(wěn)泡作用，且不影響重涂、附著力。

2.3.3 流平劑的選擇

分散劑與潤濕劑配合使用，只是解決了固/液界面的潤濕吸附和降低界面張力問題，但對涂膜出現(xiàn)的表面缺陷，如縮孔等問題無能為力。因此，必須選擇適宜的流平劑，以便降低涂膜表面的液/氣界面張力，改善涂膜流平性，消除涂膜表面缺陷。通過篩選，最終選擇了迪高公司的Glide 100和410，賦予涂膜良好的平滑手感性、抗劃傷性和耐磨性。

2.3.4 消泡劑的選擇

雙組分水性聚氨酯涂料與其他水性涂料相比更容易產(chǎn)生氣泡，涂料在制備過程中，由于高速攪拌、研磨會產(chǎn)生氣泡；潤濕分散劑的加入有助于氣泡的產(chǎn)生；施工過程中的刷、輥、噴外力作用極易產(chǎn)生氣泡；成膜過程中，水與異氰酸酯的副反應(yīng)產(chǎn)生CO2，CO2氣體滯留在漆膜中形成暗泡。如果不及時有效地消除這些氣泡，涂膜表面會形成針孔、氣泡和縮孔等缺陷，影響涂膜表觀效果和物化性能。本研究選用迪高公司的脫泡劑Airex 902W和消泡劑Foamex-825搭配使用，取得了滿意的消泡效果。

2.3.5 流變助劑的選擇

一般雙組分水性聚氨酯涂料黏度較低，為了保證其貯存穩(wěn)定性、良好的施工流動性、流平性和抗流掛性，必須添加適宜的增稠流變助劑。堿溶脹型丙烯酸類增稠劑會引起雙組分水性聚氨酯涂料凝膠失效；締合型聚氨酯增稠劑，如RM-8W和RM5000的加入，會使雙組分水性聚氨酯涂料在貯存中黏度上升；強假塑性聚氨酯增稠劑，如洛克伍德的H600、海名斯的288流變助劑的加入，可提高涂料的貯存穩(wěn)定性、流平性和抗流掛性。

3 涂料性能

水性淺色防靜電隔熱防腐涂料的性能檢測結(jié)果見表5。

表5 水性淺色防靜電隔熱防腐涂料的性能Table 5 The performance of waterborne light-colored anti-static thermal insulating anticorrosion coatings

續(xù)表5

4 結(jié)語

以雙組分水性聚氨酯為成膜物、以鈦白粉為白色顏料、以磷酸鋁鋅為防銹顏料、以導(dǎo)電鈦酸鉀晶須、石墨烯為導(dǎo)電填料，在功能助劑的配合下，制得兼具防靜電、隔熱、防腐功能的水性聚氨酯淺色導(dǎo)靜電隔熱防腐涂料。它是一種性能與環(huán)保兼具的高品質(zhì)涂料，不僅具有溶劑型雙組分聚氨酯涂料硬度高、耐介質(zhì)性好、成膜溫度低和附著力強的優(yōu)點，而且VOC含量極低?？蓮V泛應(yīng)用于航空航天、艦船、車輛、油氣儲罐、油氣管道、化工設(shè)備等領(lǐng)域。

1 劉成樓，隗功祥.風(fēng)電葉片用雙組分水性聚氨酯涂料的研制［J］.上海涂料，2011（11）：13-16.

2 劉成樓.導(dǎo)電防腐耐熱多功能涂料的研制［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2008（3）：5-8.

3 史政海.淺色復(fù)合導(dǎo)電涂料的研制［J］.涂料工業(yè)，2004，34（5）：22.

4 尹雨陽，雷輝，曾一兵，等.水性淺色防靜電涂料的研制及其性能評價［J］.涂料工業(yè)，2015（9）：48-52.

5 沈劍平，張之涵，魏亮，等.高性能環(huán)保型聚氨酯地坪涂料［A］. 2012高裝飾功能性建筑涂料及地坪涂料研討會論文集［C］，2012：133-137.

6 伍忠岳，葉榮森，劉志剛.含—NCO雙組分水性聚氨酯木器漆的應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2008（2）：25-26.7 朱德永，何帆.水性雙組分聚氨酯防腐涂料配方［J］.中國涂料，2004（10）：37-39.

8 劉成樓，隗功祥.無溶劑環(huán)氧重防腐隔熱導(dǎo)靜電涂料的研制［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2012（2）：22-25，28.

9 沈海斌，劉瓊馨，瞿研，等.石墨烯在涂料領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.涂料技術(shù)與文摘，2014（8）：20-22.

10 黃坤，曾憲光，裴嵩峰，等.石墨烯/環(huán)氧復(fù)合導(dǎo)電涂層的防腐性能研究［J］.涂料工業(yè)，2015（1）：17-20.

11 李洪飛，王進華，扈中武，等.氧化石墨烯在膨脹型水性防火涂料中阻燃和抑煙作用研究［J］.涂料工業(yè)，2015（1）：1-8.

Development of Waterborne Light-Colored Anti-static Thermal Insulating Anticorrosion Coatings

Liu Chenglou，Tan Yong，Li Shuqin，Zheng Derong
（New Huadu Special Electric Co.，Ltd.，Beijing，101102，China）

The multifunctional coatings with anti-static，thermal insulating and anticorrosion was prepared by two components waterborne polyurethane as film former，titanium dioxide as pigment，aluminum zinc phosphate as anticorrosive pigment，conductive potassium titanate fibers and graphene as conductive filler and in the cooperation of functional additives. Results showed that film volume resistivity could reach 3.10×105Ω·m，solar absorptance could reach 0.50；hemispherical emissivity could reach 92%，salt fog resistance could reach 1 500 h. The good chemical resistance and weather resistance were also showed.

light-colored coatings；polyurethane coatings；anti-static；anticorrosion coatings

TQ 630.7

A

1009-1696（2017）06-0006-05

2017-05-27

劉成樓（1939—）男，高級工程師，主要從事各種功能型涂料的研發(fā)與服務(wù)工作，已發(fā)表科技論文近100篇，獲國家發(fā)明專利30多項。