高鉻鋼低表面處理涂料制備研究

張芷豪，韓東山，張愛黎

（沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽110159）

有研究表明，涂料涂裝前需要對(duì)基材表面進(jìn)行打磨、除油、除銹、磷化等前處理，其所花費(fèi)的費(fèi)用占整個(gè)涂料涂裝工程總價(jià)的45%［1］。并且，在已經(jīng)生銹的設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)，常常不能進(jìn)行徹底的打磨、噴砂、除銹以及干燥等嚴(yán)格的前處理，常規(guī)涂料涂裝性能難以滿足要求［2］。為了滿足市場的需求，降低前處理工序與成本，能夠在帶油、帶銹、帶水的金屬表面直接進(jìn)行涂料的低表面處理涂料成為研究的熱點(diǎn)。如帶油鎂合金用耐高溫涂料的研究［3］，研制的涂料具有良好的耐濕熱、耐鹽霧、耐介質(zhì)的性能，能夠滿足在海洋環(huán)境下飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)鎂合金零部件的維修需要。低碳鋼基材表面低表面處理涂料［4］，實(shí)現(xiàn)了在帶油、帶銹以及潮濕表面的涂裝，能夠用作船舶、機(jī)械等鋼結(jié)構(gòu)做底漆和中間涂層的低VOC、低表面處理涂料［5］，具備快干、可復(fù)涂，固化溫度范圍廣的特點(diǎn)?？梢杂糜谑到y(tǒng)的管道、舊油罐及附屬鋼結(jié)構(gòu)以及船舶及石油平臺(tái)的維修，工程現(xiàn)場維護(hù)的低表面處理涂料［6］，可潮濕固化、涂層防腐蝕性能，附著力良好。鋼桶外表面用帶油低表面處理涂料［7］，可在含有少量防銹油的鋼桶底材上施工，解決了水性鋼桶涂料“抽坑”問題。在輸電線路桿塔防腐蝕中采用低表面處理涂料［8］，符合野外現(xiàn)場施工條件，簡單易行。油艙、油罐等儲(chǔ)油、輸油設(shè)備的再涂裝中應(yīng)用低表面處理涂料，已經(jīng)在油船特種涂裝施工中得到應(yīng)用［9］。

目前，人們?cè)趲в屯苛戏矫娴难芯可儆趲тP涂料方面的研究，而且對(duì)于多功能低表面涂料的方面的研究更少。以至于面臨需要重涂或者由于不能夠進(jìn)行嚴(yán)格前處理設(shè)施設(shè)備的情況時(shí)，可使用的針對(duì)性較強(qiáng)的維修維護(hù)涂料少。硅油及其衍生物由于其高溫的熱穩(wěn)定性，常用于高溫下金屬摩擦?xí)r的潤滑油，在對(duì)設(shè)備維修維護(hù)涂裝時(shí)會(huì)造成油污染。本文針對(duì)軍用特種鋼材帶油表面，研究一種可以在以二甲基硅油為主的機(jī)油表面上涂裝的低表面處理涂料，并具備附著力、耐蝕性能良好、高硬度以及較高耐沖擊強(qiáng)度，高耐蝕性的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

E-44溶劑型環(huán)氧樹脂及其配套固化劑，南通星辰合成材料有限公司；固化劑（固含量53%），上?？蹈；び邢薰?；滑石粉，天津市大茂化學(xué)試劑廠；三聚磷酸鋁，山東優(yōu)索化工科技有限公司；磷鐵粉（800目），上海司太立制藥公司；硅酸鈣、磷酸鋅、氧化鐵紅、二甲苯、正丁醇、無水乙醇、乙酸乙酯，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 漆膜性能測定

在漆膜實(shí)干并經(jīng)過一周養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行漆膜性能測定。采用MIKROTEST 磁力測厚儀測定涂層的厚度。依據(jù)GB/T 1728-1979（1989）《漆膜、膩?zhàn)悠岣稍飼r(shí)間測定法》測定涂層表干時(shí)間和實(shí)干時(shí)間；依據(jù)GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》測定涂層附著力；依據(jù)GB/T 1763-1989《漆膜耐化學(xué)試劑性測定法》方法測定漆膜耐酸、堿、鹽性能。依據(jù)GB/T 1730-2007，采用擺桿硬度計(jì)測試涂層硬度；依據(jù)GB/T 1732-1993測試漆膜抗沖擊性能。

1.3 涂料及涂膜制備工藝

1.3.1 帶油帶銹試片的制備

高鉻鋼樣件為35CrMnSiA，打磨、除油、酸洗、水洗處理后取出放置24 h，置入二甲基硅油中浸泡24 h 取出，脫脂棉擦去樣件表面的二甲基硅油。樣件帶有閃銹和一層薄油膜。

1.3.2 涂料配方

經(jīng)多次選擇后確定涂料的配方見表1。為降低涂料VOC含量，涂料研制為高固含量低表面處理涂料，固含量為70%。復(fù)合溶劑為無水乙醇、正丁醇、乙酸乙酯、二甲苯。少量助劑為：分散劑5040 和潤濕劑DW345，未計(jì)入配方。

表1 涂料配方Tab.1 The coating formulation

1.3.3 涂料制造與涂裝工藝

復(fù)合溶劑按比例配置，4/5 分散環(huán)氧樹脂，1/5用于分散固化劑（B 組分）；研磨后的顏填料加少量樹脂溶液潤濕后加樹脂溶液調(diào)稀，置入分散機(jī)中，加剩余樹脂以及助劑，分散，制得A 組分，倒入燒杯中。B 組分?jǐn)嚢柘录尤階 組分中，繼續(xù)攪拌使A、B兩組分充分混合，停止攪拌，QXD 刮板細(xì)度計(jì)測定涂料的細(xì)度，靜止數(shù)分鐘后，開始涂裝。

將適量涂料倒在樣件上，以恒定壓力、速度緩慢拉動(dòng)線棒涂布器進(jìn)行涂裝，涂裝后室溫干燥。涂膜表干后進(jìn)行二道涂裝，干膜厚度40～50 μm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)涂料、涂裝性能，并記錄表干、實(shí)干時(shí)間，養(yǎng)護(hù)7 d后測試涂膜力學(xué)性能以及耐腐蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 顏基比對(duì)涂料性能的影響

根據(jù)表2 可知，顏基比較低時(shí)，涂料放置穩(wěn)定性較差，久置分層，當(dāng)顏基比為1.6時(shí)，放置穩(wěn)定，且涂料黏度適宜涂裝，表干時(shí)間短。同時(shí)，隨著顏基比增加，涂料硬度增加。低顏基比涂料涂裝時(shí)，高鉻鋼表面的油脂對(duì)涂層影響嚴(yán)重，涂層表面出現(xiàn)縮孔，針孔，露底等問題。隨著顏基比增加，顏填料的“釘扎”作用，使涂層有更好的附著力，以及合適的表面張力，涂膜流平性變好，無表面張力問題。

表2 顏基比對(duì)涂料性能的影響Tab.2 Effect of the pigment binder ratio on the coating properties

2.2 固化劑用量對(duì)涂料與涂層性能的影響

通過改變樹脂和固化劑的質(zhì)量比研究固化劑用量的影響，結(jié)果如下表3 所示。隨著涂料固化劑的用量增加，涂料的黏度逐漸增加。當(dāng)樹脂和固化劑的質(zhì)量比為10∶3 時(shí)，涂料流變性好，無刷痕，表干時(shí)間最短。當(dāng)質(zhì)量比為2∶1 時(shí)，涂料黏度太大，不適宜涂裝，附著力變差。

表3 固化劑用量對(duì)涂料性能的影響Tab.3 Effect of curing agent dosage on coating properties

2.3 混合溶劑配比對(duì)涂料與涂層性能的影響

以混合溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 份配制，不同的混合溶劑對(duì)涂料性能影響研究結(jié)果如下表4 所示。實(shí)驗(yàn)研究了幾種溶劑的復(fù)配，其中甲苯與二甲苯為石油溶劑，便宜易得，但是有不同的毒性。甲苯沸點(diǎn)低于二甲苯，有更高的揮發(fā)性，毒性高于二甲苯；二甲苯比甲苯有更好的溶解力。乙酸乙酯為強(qiáng)溶劑與醇類助溶劑配合使用，使混合溶劑具有合適的揮發(fā)梯度與溶解力。從上表中也可知以二甲苯，正丁醇，乙酸乙酯為溶劑時(shí)的涂料，干性最差，附著力最低，且有嚴(yán)重的橘皮現(xiàn)象。使用揮發(fā)度更大的甲苯替換二甲苯后，橘皮現(xiàn)象變輕，但是涂層流平性仍然較差。增加二甲苯用量降低正丁醇用量，并使部分乙醇替代正丁醇，制備的涂層平整，且較少用量即得到適宜涂裝黏度的涂料，證明該復(fù)配溶劑為涂料的良溶劑。

表4 混合溶劑對(duì)涂層性能的影響Tab.4 Effect of mixed solvent ratio on coating properties

2.4 氧化鐵紅用量對(duì)涂料與涂層性能的影響

以氧化鐵紅用量占顏填料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究。磷酸鋅∶磷鐵粉=1∶1，滑石粉∶硅酸鈣=1∶1，氧化鐵紅用量對(duì)涂料性能的影響如下表5 所示。氧化鐵紅用量為27%時(shí)，涂膜的表干時(shí)間長，而且耐酸堿性能下降，附著力變差，硬度較低。氧化鐵紅用量為27%時(shí)涂料黏度較大，不易涂裝，流平性差，涂層有刷痕。涂層耐酸性差，且隨著氧化鐵紅用量增大，耐酸性介質(zhì)時(shí)間變短，原因是氧化鐵紅可以與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所致。綜合性能，選擇氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)為優(yōu)化條件。

表5 氧化鐵紅用量對(duì)涂料性能影響Tab.5 Effect of iron oxide red dosage on coating properties

2.5 硅酸鈣用量對(duì)涂料與涂層性能的影響

硅酸鈣用量對(duì)涂層相關(guān)性能的影響結(jié)果如表6所示。減少了氧化鐵紅用量的配方，隨著硅酸鈣用量增加，涂料的放置穩(wěn)定性好，黏度亦適宜涂裝，成膜無刷痕、縮孔等表面張力問題。由表6 中可知，隨著硅酸鈣用量的增加，涂層的硬度逐漸增大。在硅酸鈣用量為14%時(shí)，涂層的表干時(shí)間較長，硅酸鈣用量增加后，涂層的表干時(shí)間逐漸變短。

表6 硅酸鈣用量對(duì)涂層性能的影響Tab.6 Effect of calcium silicate dosage on coating properties

2.6 滑石粉用量對(duì)涂料與涂層性能的影響

滑石粉用量對(duì)涂料相關(guān)性能的影響結(jié)果如下表7 所示。根據(jù)表7 可知，滑石粉用量對(duì)涂料性能影響與硅酸鈣對(duì)涂料性能影響相近。隨著填料用量增加，涂料穩(wěn)定性增加，黏度適宜，流變性好，涂層流平性好，表干時(shí)間變短，實(shí)干時(shí)間在15 h 內(nèi)。不同的是增加滑石粉用量，涂膜硬度增加的快，以及涂膜的耐酸性不同。綜合評(píng)價(jià)，滑石粉用量與硅酸鈣用量質(zhì)量比為1∶1。

表7 滑石粉用量對(duì)涂料性能的影響Tab.7 Effect of talc powder dosage on coating performance

2.7 優(yōu)化配方與涂料性能

通過實(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化，確定了最優(yōu)配方，最優(yōu)配方制備的漆膜表面狀態(tài)如下圖1 所示，對(duì)最優(yōu)配方下制備的涂料及其漆膜按國標(biāo)GB/T 1763-1989 檢測涂料性能如下表8所示。

圖1 最優(yōu)配方下的漆膜表面狀態(tài)Fig.1 Surface condition of paint film under optimal formula

3 結(jié)論

本文開展了高鉻鋼低表面處理涂料配方的研究，并對(duì)其漆膜性能進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論。

表8 低表面處理涂料性能Tab.8 Surface tolerant treatment coating performance

（1）成功制備出高鉻鋼低表面處理涂料，其最優(yōu)配方為：基料樹脂E-44與固化劑的質(zhì)量比10∶3，防銹顏料占顏填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49%，磷酸鋅、磷鐵粉與氧化鐵紅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、20%、9%，填料硅酸鈣和滑石粉質(zhì)量比1∶1。涂料固含量為70%，顏基比1.6∶1，復(fù)合溶劑為二甲苯：無水乙醇∶正丁醇∶乙酸乙酯，其質(zhì)量比為5∶1∶1∶3。

（2）研究得到的涂料及其漆膜性能符合和部分超過國家標(biāo)準(zhǔn)，可以在帶銹帶油表面涂裝，涂料流變性好，可以滾涂或者刷涂，涂膜表面光亮豐滿，有良好的附著力和力學(xué)性能。