工程機(jī)械用水性環(huán)氧防腐底漆的制備

何 暢，肖 昴，陳中華

(1 嘉寶莉化工集團(tuán)股份有限公司，廣東 江門(mén) 529085；2 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

工程機(jī)械是機(jī)械行業(yè)里的重要組成部分，在國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)中有著不可或缺的作用，工程機(jī)械種類(lèi)繁多,包含范圍從通用設(shè)備制造業(yè)到專(zhuān)業(yè)設(shè)備制造業(yè)，涵蓋了挖掘機(jī)械、鏟土運(yùn)輸機(jī)械和工程起重機(jī)械等主要的幾類(lèi)[1]。由于大部分工程機(jī)械所處的工作環(huán)境基本都在外，不僅要經(jīng)受戶外的雨淋日曬，有時(shí)還要在極端的工作環(huán)境下承受泥石沙等的沖擊磨損和腐蝕，故對(duì)于所使用的防護(hù)涂層有較高的性能要求標(biāo)指標(biāo)。工程機(jī)械設(shè)備涂層漆膜的耐腐蝕性能和附著力主要是底漆提供，因而要求所使用的底漆，具有優(yōu)異的耐鹽霧性能，優(yōu)異的附著力，以及優(yōu)異的物理性能，同時(shí)為了適應(yīng)涂裝廠的生產(chǎn)節(jié)奏，還要求底漆干燥速度快，能夠快速?lài)娡棵嫫醄2]。

目前的工程機(jī)械底漆涂裝主要還是以溶劑型環(huán)氧底漆為主，VOC含量高，氣味大，不符合環(huán)保要求，環(huán)氧底漆的水性化，在工程機(jī)械涂裝領(lǐng)域具有不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，但是水性環(huán)氧防腐底漆目前還是存在一定的問(wèn)題，比如干燥速度偏慢、早期性能差、和面漆的匹配性不佳等[3-6]。

基于此，開(kāi)發(fā)一款干燥速度快、耐鹽霧性能優(yōu)異，同時(shí)與面漆具有良好匹配性的水性環(huán)氧底漆至關(guān)重要。本文通過(guò)篩選市面上的水性環(huán)氧乳液和固化劑，并考察防銹顏料種類(lèi)和用量對(duì)涂層理化性能的影響，制備了一款干燥快、防腐性能優(yōu)異的雙組份水性環(huán)氧防腐底漆，同時(shí)還有效地減少水性環(huán)氧底漆因干燥過(guò)慢導(dǎo)致的漆膜性能下降和配套面漆表面效果欠缺的問(wèn)題。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

水性環(huán)氧乳液和水性固化劑的指標(biāo)見(jiàn)表1。鈦白粉(R998)，西昌瑞康鈦業(yè)；硅灰石、云母粉，國(guó)產(chǎn)；增稠劑(Borchi Gel 0620)，德國(guó)OM Group；分散劑(TEGO 760w)，德國(guó)迪高；防閃銹劑(H14)，法國(guó)ASCOTEC；助溶劑(工業(yè)級(jí))，廣州化學(xué)試劑廠；潤(rùn)濕流平劑(TEGO 4100)，德國(guó)迪高；消泡劑(TEGO 901W)，德國(guó)迪高；防銹顏料(ZMP-1/ZPA-X/ZPW-1/ZPL)，湖南瑞石科技；防銹顏料(B560/A218)，江蘇合三弘納米科技。

表1 水性環(huán)氧乳液和水性固化劑的基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

BGD740/1高速分散機(jī)，廣州標(biāo)格達(dá)精密儀器；TENSOR37傅里葉變換紅外光譜儀，BRUKER公司；Q25型掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI公司；CS350電化學(xué)工作站，武漢科斯特儀器有限公司。

1.3 水性環(huán)氧防腐底漆的制備

1.3.1 漿料的制備

將去離子水、潤(rùn)濕劑、分散劑、一部分消泡劑依次加入攪拌機(jī)，將中速分散5 min后，在低速攪拌下，依次加入防銹顏料、鈦白粉、云母粉和硅灰石，攪拌15 min，最后通過(guò)砂磨機(jī)研磨至30 μm細(xì)度，用200目紗網(wǎng)過(guò)濾得到漿料待用。

1.3.2 A組分的制備

將漿料在低速攪拌下加入環(huán)氧乳液中，再依次加入助溶劑、潤(rùn)濕流平劑和剩余消泡劑加入攪拌機(jī)，低速攪拌15 min后，加入增稠劑調(diào)節(jié)粘度至合適粘度，得到雙組份水性環(huán)氧防腐涂料的A組份。

1.3.3 B組分的制備

表2 水性環(huán)氧防腐底漆基礎(chǔ)配方

將防閃銹劑和胺類(lèi)固化劑混合加入分散罐中，調(diào)整攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速至400 r/min，攪拌15 min，得到雙組份水性環(huán)氧防腐涂料的B組份。

1.4 涂層制備及性能測(cè)試

1.4.1 涂層的制備

將制備好的雙組份水性環(huán)氧防腐涂料A組份和B組份以一定的比例混合均勻，噴涂至測(cè)試基材上，在常溫下自然干燥，漆膜養(yǎng)護(hù)7天，測(cè)試干膜厚度保證其在50～70 μm之間的厚度。

1.4.2 測(cè)試與表征

成膜物質(zhì)結(jié)構(gòu)：紅外光譜(FTIR)測(cè)試；微觀結(jié)構(gòu)：掃描電子顯微鏡(SEM)分析；電化學(xué)測(cè)試：電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試；附著力測(cè)試：按GB/T 1928-1998測(cè)試；耐水性測(cè)試：按GB/T1733-1993測(cè)試；耐酸耐堿測(cè)試：按GB/T9274-1998測(cè)試；耐中性鹽霧測(cè)試：按GB/T1771-2007測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 水性環(huán)氧乳液/固化劑種類(lèi)對(duì)環(huán)氧底漆性能的影響

成膜物質(zhì)基本決定了涂層的主要性能，因此篩選合適的水性環(huán)氧乳液和固化劑，對(duì)最終水性環(huán)氧防腐底漆產(chǎn)品起到?jīng)Q定性作用。選取了幾款不同廠家的水性環(huán)氧乳液和固化劑，制備水性環(huán)氧防腐底漆。

目前市面上主流的幾款水性環(huán)氧乳液，環(huán)氧當(dāng)量均設(shè)計(jì)在1000 g·eq-1左右，分子量大同小異，主要是在分子設(shè)計(jì)和合成路徑上有所區(qū)別，這就造成了環(huán)氧當(dāng)量接近，但是性能卻不盡相同。我們選取了三種不同廠家的水性環(huán)氧乳液分別搭配Banco 920固化劑分別搭配，水性環(huán)氧乳液和固化劑以環(huán)氧基數(shù)量和活潑氫數(shù)量等比例搭配，得到的涂層紅外譜圖如圖1(a)所示。

如圖1(a)表明，三種水性環(huán)氧乳液與固化劑制備的涂層，結(jié)構(gòu)類(lèi)型是上是類(lèi)似的，主要是-OH(3387 cm-1處特征吸收峰)和叔胺基(734 cm-1處特征吸收峰)數(shù)量上略有不同，這與其三者的環(huán)氧當(dāng)量有關(guān)，也有可能與三者的反應(yīng)程度有一定的關(guān)系。

圖1 三種水性環(huán)氧乳液分別與Banco 920制備的涂層(a)和 兩種水性固化劑與Banco 2092制備的涂層(b)的紅外譜圖Fig.1 Infrared spectra of coatings prepared by three water-based epoxy emulsions and Banco 920(a) and coatings prepared by two water-based curing agents and Banco 2092(b)

市面上水性固化劑的種類(lèi)則各不相同，選取了兩種不同的水性固化劑Banco 920和CA-883，分別與水性環(huán)氧乳液Banco 2092進(jìn)行搭配，得到的涂層紅外譜圖如圖1(b)所示。

圖1(b)表明，Banco 2092/Banco 920制得的涂層中，叔胺基的紅外吸收更強(qiáng)，說(shuō)明兩者的反應(yīng)更加充分，產(chǎn)生了更多的叔胺基。將三種水性環(huán)氧乳液和兩種水性固化劑進(jìn)行搭配制漆，所得到的涂層性能如表3所示。

表3 水性環(huán)氧防腐底漆的測(cè)試結(jié)果

綜合干速、硬度和耐鹽霧，Banco 2092+Banco 920綜合性能最佳，指壓干時(shí)間20 min，硬度H，耐水2000 h，耐鹽霧大于400 h。

2.2 防銹顏料種類(lèi)對(duì)環(huán)氧底漆性能的影響

雙組份水性環(huán)氧防腐涂料中，防銹顏料對(duì)環(huán)氧底漆的防腐性能起著重要的作用，在高耐鹽霧要求的水性雙組分環(huán)氧防腐底漆中，主要以化學(xué)緩蝕型防銹顏料為主，本部分主要研究不同類(lèi)型的防銹顏料對(duì)水性環(huán)氧底漆性能的影響。表4是不同類(lèi)型的化學(xué)緩蝕型防銹顏料對(duì)涂層性能的影響。

結(jié)果顯示，W808對(duì)涂層耐水性和耐酸耐堿性的影響較大，這是因?yàn)閃-808是主要成分是鉬硅酸鹽水合物，和其余幾種磷酸鹽類(lèi)型的防銹顏料相比其親水性會(huì)更強(qiáng)，所以降低了漆膜的耐水性，但是其能夠和樹(shù)脂體系中的羥基形強(qiáng)的分子間作用力，加強(qiáng)與涂層體系間的次價(jià)鍵力，故W808制備的環(huán)氧涂層耐酸堿性最好。從耐鹽霧時(shí)長(zhǎng)來(lái)看，ZMP-1制備的涂層耐鹽霧最佳，這主要是因?yàn)閆MP-1具有多種防銹作用相互協(xié)同，使得其耐鹽霧最佳。ZMP的組份是磷鉬酸鋁鋅和堿式磷酸鋅鉬，漆膜中的磷酸根離子可以吸附于基材表面形成致密鈍化膜，鉬酸根離子能夠在金屬基材表面形成一層具有吸附性的氧化膜對(duì)基材進(jìn)行修復(fù)保護(hù)，兩者都有較強(qiáng)的防腐作用；鉬酸根離子會(huì)與鹽霧中的Cl-在金屬基材表面形成競(jìng)爭(zhēng)吸附作用，減少了Cl-對(duì)基材的腐蝕；磷鉬酸鋁鋅和堿式磷酸鋅鉬帶有磷酸復(fù)鹽的結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的吸附性和離子交換性，能緩慢釋放一部分磷酸根離子和鉬酸根離子吸附于金屬表面，提高漆膜的長(zhǎng)效防腐性；同時(shí)少量的鉬酸鹽防銹顏料能與磷酸鹽防銹顏料形成協(xié)同作用，提高防腐性能。

表4 不同防銹顏料環(huán)氧涂層的性能測(cè)試結(jié)果

圖2和圖3反映了不同防銹顏料制備的涂層在耐鹽水測(cè)試過(guò)程中的電化學(xué)阻抗譜的結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，ZMP-1在長(zhǎng)時(shí)間的耐鹽水過(guò)程中，其阻抗值變化最小，仍能保持接近108Ω·cm2，說(shuō)明其對(duì)電解質(zhì)中腐蝕介質(zhì)的抗?jié)B透作用最強(qiáng)，該測(cè)試結(jié)果與耐鹽霧測(cè)試結(jié)果一致，均說(shuō)明了ZMP-1對(duì)腐蝕介質(zhì)的抵抗能力最強(qiáng)，能夠大大減弱離子的滲透。

圖2 涂層的阻抗譜(24 h鹽水浸泡)Fig.2 Impedance spectra of different coatings (24 h salt water immersion)

圖3 涂層的阻抗譜(240 h鹽水浸泡)Fig.3 Impedance spectra of coatings (240 h salt water immersion)

2.3 PVC對(duì)環(huán)氧底漆性能的影響

通過(guò)改變樹(shù)脂乳液和填料的用量，設(shè)置不同的PVC，研究PVC對(duì)水性環(huán)氧防腐底漆性能的影響，表5是不同PVC涂層的性能測(cè)試結(jié)果。

表5 不同PVC涂層的性能測(cè)試結(jié)果

結(jié)果表明，隨著PVC的增加，涂層的光澤顯著降低，從SEM形貌圖中也可以看出，PVC過(guò)高，基體樹(shù)脂已無(wú)法有效包覆粉料，這會(huì)影響涂層表面的折光率和平整度，進(jìn)而導(dǎo)致光澤明顯下降。隨著PVC的提高，漆膜的耐酸堿性變差，是因?yàn)橥繉油ㄟ^(guò)樹(shù)脂對(duì)顏填料的包覆形成連續(xù)完好的漆膜，PVC過(guò)高漆膜中顏填料過(guò)多，環(huán)氧樹(shù)脂過(guò)少不能均勻包覆顏填料形成致密的漆膜抵抗酸堿的破壞。PVC在30%時(shí)，漆膜的致密性較好，耐酸堿性均達(dá)到48 h，同時(shí)由于更佳的致密性，此時(shí)耐鹽霧性也達(dá)到最佳528 h，SEM形貌圖也顯示，在PVC為30%時(shí)，涂層的致密性最佳。

圖4 不同PVC漆膜表面SEM形貌圖Fig.4 SEM image of different PVC paint film surface

2.4 涂層的綜合性能

通過(guò)將雙組份水性環(huán)氧涂料作為底漆，自制雙組份水性聚氨酯涂料作為面漆，制備環(huán)氧底漆/聚氨酯面漆的復(fù)合涂層，對(duì)涂層的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，與單層的雙組份環(huán)氧涂層進(jìn)行對(duì)比，表6為涂層性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比。

表6 復(fù)合涂層性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表6可以看出，相較于單層的水性環(huán)氧防腐涂層，復(fù)合涂層耐酸耐堿和耐鹽霧性更優(yōu)，復(fù)合涂層耐酸達(dá)到168 h、耐堿達(dá)到96 h、耐鹽霧達(dá)到1000 h，復(fù)合涂層的綜合性能超過(guò)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T4339-2012中工程機(jī)械涂料涂層體系的性能要求。

3 結(jié) 論

選用Banco2092+Banco920為水性環(huán)氧防腐底漆的成膜物質(zhì)，防銹顏料采用ZMP-1，PVC設(shè)計(jì)為30%，水性環(huán)氧底漆的綜合性能最佳，與自制水性聚氨酯面漆復(fù)配后，耐酸性達(dá)到168 h，耐堿性達(dá)到96 h，耐鹽霧可達(dá)1000 h，該復(fù)合涂層的綜合性能超過(guò)了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 4339-2012性能要求。