纳米复合带锈涂装船用环氧防腐底漆制备研究

彭欣，李海晏，孔祥峰，樊先平，3，陈良辅（.浙江大学舟山海洋研究中心，浙江舟山　360；.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛　6600；3.浙江大学材料科学与工程学院，浙江杭州　3007）



纳米复合带锈涂装船用环氧防腐底漆制备研究

彭欣1，李海晏1，孔祥峰2，樊先平1，3，陈良辅1
（1.浙江大学舟山海洋研究中心，浙江舟山316021；2.中国海洋大学化学化工学院，山东青岛266100；3.浙江大学材料科学与工程学院，浙江杭州310027）

摘要：带锈涂装防腐涂料是未来钢结构装备和设备腐蚀防护领域的重要发展方向。以传统环氧富锌防腐底漆为基础，通过添加自制的高效纳米复合防锈组分共混制备一种可应用于带锈碳钢表面的纳米复合防腐涂料，并与未掺杂纳米防锈组分的防腐涂料和以纳米TiO2粉体为掺杂组分制得的防腐涂料进行对比。测试结果表明，添加5%的纳米防锈组分可以明显提高复合涂料对带锈碳钢的保护效果，性能优良，干燥时间满足船舶涂装施工要求，可以大大简化施工工艺并降低成本。

关键词：带锈涂料；环氧富锌底漆；纳米防锈颜料；耐腐蚀性能

0 前言

钢铁材料在使用过程中不可避免发生各种腐蚀破坏，严重影响其安全和使用寿命，因此在船舶、海工设备修造等领域常采用涂料涂装防护方法来减缓钢铁材料腐蚀造成的危害［1-4］。为了获得良好的效果，在涂装前通常要对底材进行打磨、清洗等表面处理，表面处理的质量直接影响到涂膜寿命，据统计，约有一半涂层失效是由表面处理不当造成的［5-6］。目前大多采用喷砂处理的方法除去船舶等钢结构表面的油污和腐蚀产物等异物。该方法不但会增加成本，而且喷砂过程中的粉尘、噪声和涂装过程中有害物质的挥发严重危害施工人员身体健康，此外，对于某些复杂结构的作业面还难以做到完全清除干净。目前部分船舶相关行业采用高压水除锈和湿喷砂工艺取代传统的喷砂工艺处理，但有时难以达到Sa2.5级要求，而且会导致钢铁底材表面产生二次腐蚀。为解决这一问题，能应用于未充分清理表面锈层或少量其它腐蚀产物的钢铁基体表面，并可以满足较好防锈性能的带锈涂装防腐涂料成为国内外相关领域的研究热点［7-11］。其中转化型带锈涂料是目前应用较为广泛的产品，但是传统的转化型带锈涂料中所用的活性转化成分一般是单宁酸与磷酸或其它活性物质复配体系，在使用时必须严格考虑施工表面腐蚀程度和锈层的堆积量，增加了工作的复杂性［12-16］。

纳米材料的引入为防腐涂料的发展提供了新的方向和前景，自20世纪80年代以来已成为涂料领域中的重要热点［17-19］。本研究采用自制的纳米复合防腐转锈组分作为活性防腐颜料，将其应用于传统的环氧富锌防腐底漆制备一种高性能带锈涂装防腐涂料，避免了传统的单宁酸体系对环氧富锌涂料中锌粉保护作用的影响。对涂料的相关理化性能指标进行测试分析，并与纳米TiO2作为复合添加颜料得到的涂料进行对比研究。

1 实验

1.1 试剂原料

双酚A型E-44环氧树脂、650聚酰胺固化剂，工业级，镇江丹宝树脂有限公司；纳米复合防锈颜料，自制，主要成分为纳米ZnO粉体、钙钛矿粉末、纳米亚氧化钛粉体；纳米TiO2粉体，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；锌粉，化学纯，莱阳铁塔精细化工厂；云母粉，工业级，安徽滁州市宝塔绢云母矿业有限责任公司；膨土粉，工业级，灵寿恒石矿产品加工厂；二甲苯、丁醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；丁醚，分析纯，上海五联化工厂。

1.2 涂料制备

本涂料为双组份防腐涂料，配合比为：m（甲组份）∶m（乙组份）=10∶1。制备过程如下：

甲组份：以环氧树脂为主体，将颜填料与助剂等组分均匀分散于环氧树脂溶液中制得，其具体配方见表1。

表1 带锈涂料甲组份的配方　　质量分数

将E-44环氧树脂、二甲苯、丁醇、丁醚等按比例称量，放入高速搅拌器内，以转速600 r/min充分搅拌分散30 min，使环氧树脂充分溶解，得到澄清稳定的环氧树脂溶液。然后将锌粉、自制纳米复合防锈颜料（或纳米TiO2粉体）、云母粉、膨土粉按比例加入到上述环氧溶液中，低速搅拌（400 r/min）10 min使其初步混合均匀，静置30 min使固体分与环氧溶液体系充分接触润湿，然后在转速1400 r/min下高速分散搅拌90 min，用150目筛网过滤，封闭贮存。

乙组份：按配合比m（650聚酰胺）∶m（二甲苯）∶m（丁醇）= 55∶30∶15，将650聚酰胺固化剂与二甲苯、丁醇制成均匀溶液。

1.3 带锈涂装钢板处理

选用尺寸为150.0 mm×70.0 mm×5.0 mm的普通低碳钢为基材；耐冲击性能测试试样选择尺寸为100.0 mm×50.0 mm× 0.2 mm的马口铁为底材。将钢片表面经过喷砂打磨处理后，置于无水乙醇中，超声清洗除去表面的油膜及污迹，自来水浸泡72 h，待其表面基本形成均匀锈层，取出干燥，毛刷刷去表面浮锈后，用无水乙醇浸泡除水，冷风吹干，使表面存有明显锈迹，置于干燥器中，以作为带锈涂装试片备用。

1.4 涂料性能测试

将甲、乙组份按比例配合搅拌混匀，静置30 min使其充分熟化，涂刷在上述带锈试片上，然后放置7 d使漆膜充分固化反应，分别按相关标准对涂膜的耐冲击性、耐盐水性、附着力、耐盐雾腐蚀性能等理化指标进行测试。

2 结果与讨论

2.1 涂料基本性状（见表2）

表2 涂料的基本性状

由表2可以看出，除了纳米TiO2粉体加入后使得涂料颜色呈现白色外，几种涂料间外观并没有特别明显的差别，并且涂料整体均一性好，没有明显的结皮、沉淀、分层等现象，说明制备的样品中固体分分散效果良好。干燥时间满足一般船用防腐底漆施工要求。

2.2 涂膜力学性能测试

按GB 20624.1—2006《色漆和清漆快速变形（耐冲击性）试验第1部分：落锤试验（大面积冲头）》测试涂膜的耐冲击性，按GB/T 6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》测试涂膜的硬度，按GB 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》测试涂膜的附着力。测试结果见表3。

表3 涂膜的物理力学性能

由表3可以看出，使用纳米复合防锈颜料或纳米TiO2与锌粉复合的涂料性能都比传统环氧富锌底漆有一定的提升。这可能是因为，对于带锈钢板基材，加入的复合纳米粉体颗粒较小，能够有效地填充到铁锈的空隙中，形成更为致密、稳定的复合结构；同时纳米粒子可与涂料中的环氧基、羟基以及酰胺基等形成交联，增加涂膜的交联密度，改善了涂料与基材的结合力，从而提高涂膜的整体性能［20］。

2.3 涂膜耐水、耐碱和耐盐雾腐蚀性能测试

按GB 1733—1993《漆膜耐水性测定法》测试涂膜的耐水性，按GB 9265—2009《建筑涂料涂层耐碱性的测定》测试涂膜的耐碱性，按GB 1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》测试涂膜的耐盐雾腐蚀性，测试结果见表4。

表4 涂膜的耐水、耐碱和耐盐雾腐蚀性能

由表4可以看出，传统的环氧富锌底漆在带锈钢板上耐盐雾腐蚀性能较差，这是因为锈层的存在影响了涂层与基体的结合，另一方面，锈层中的β-FeOOH等活性组分可以加速涂层的破坏劣化。而添加了自制纳米复合防锈颜料制备的复合涂料的防腐性能都有一定的提升，特别是添加5%纳米复合防锈颜料后，涂膜的附着力、耐盐雾性能、耐水性等指标都比较优秀。而纳米TiO2粉体的复合则未对涂膜的耐腐蚀性能产生显著改善，甚至随着其添加量的增加还有轻微劣化，这可能与2种粉体自身的性能有关。

纳米TiO2在涂料行业中的应用优势主要在于其良好的遮盖力、隔热性、耐磨性和光催化效果，但其本身并不具有良好的防腐性能，所以纳米TiO2的掺入对涂料的白度和力学性能有所改善，但对其附着力、耐水性、耐盐雾性能等与防腐相关指标改善效果则不显著。此外，随着纳米TiO2掺量的增加，其吸水和团聚倾向反而会在一定程度上造成涂料整体性能的降低［21-23］。制备的纳米复合防锈颜料是由纳米氧化锌、纳米亚氧化钛等活性物质复合而成，一方面，氧化锌、亚氧化钛等物质具备良好的耐腐蚀性和稳定性，可以改善涂膜的防护性能；另一方面，亚氧化钛活性物质可以与铁锈中活泼的有害成分如β-FeOOH反应，将其转化为惰性的α-FeOOH和Fe3O4等成分，使其成为防锈底漆中的填料，提升了涂料的整体性能，同时可以有效降低成本［24］。

3 结语

通过将自制的纳米复合防锈颜料应用于传统的环氧富锌防锈底漆中，制成了一种高性价比的复合带锈涂装防腐涂料，能在带锈的钢铁表面上涂装，物化性能优良，耐腐蚀性出色，有较高的实用价值，市场应用前景广阔。

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Preparation of corrosion resistant nano-composite epoxy coatings for rusted carbon steel

PENG Xin1，LI Haiyan1，KONG Xiangfeng2，FAN Xianping1，3，CHEN Liangfu1
（1.Ocean Research Center of Zhoushan，Zhejiang University，Zhoushan 316021，China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；3.School of Materials Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Abstract：Development of corrosion-resistant coatings is one of the most important trends in the field of corrosion prevention for future steel structure machinery and equipment. A nano-composite anticorrosion coating which can be used on the rusted carbon steel was prepared by adding a homemade efficient nano-pigment into the traditional epoxy zinc-rich anticorrosive primer paint. In contrast，the performances of a traditional anticorrosive coating without doping nano-pigment and some coatings used nano-TiO2powders as doping component were tested as well. The testing results showed that，the nano-composite anticorrosion coating with 5%nano-antirust component added possessed excellent performance and greatly improved coating's protection effect on rusted carbon steel. The drying time can meet the construction requirements of boat coating，and greatly simplify the construction process and reduce cost.

Key words：anti-rust coating，epoxy zinc-rich primer，nano-antirust pigment，corrosion resistance

中图分类号：TU56+1.67

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0033-03

基金项目：浙江省舟山市科技计划项目（2013C51018-1）

收稿日期：2015-09-18；

修订日期：2015-10-10

作者简介：彭欣，男，1985年生，山东济南人，博士后，研究方向：金属材料腐蚀与防护。