改性水性环氧树脂防锈底漆的研制

李子荣，王和山

(1.安徽科技学院 化学与材料工程学院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽开林新材料股份有限公司，安徽 天长 239300)

水性环氧树脂防锈涂料作为一种新型环保防锈涂料已经成为涂料领域一个重要的发展方向，它能够完美地替代含有铅、铬等重金属的传统防锈颜料。改性前的颜填料由于粒径较大，比表面积小，且其水中分散性差，腐蚀前期形成钝化保护膜的速度较慢，从而影响涂料的整体防锈性能，故难以全面取代传统有毒的防锈颜料，需要对其进行改性[1-3]。近年来，水性涂料因其有利于资源合理利用、防止环境污染、保护人体健康，且不含或少含挥发性有机化合物(VOC)及有害空气污染物(HAP)，已成为研发热点、推广应用的亮点及增长点[4]。但是水性防腐涂料由于自身树脂和助剂的亲水性，使得水性涂料的耐盐雾性能表现不佳，需要高性能的防锈颜填料提高水性涂料的防腐性能[5]。本文通过选用纳米颜填料对水性环氧防锈底漆进行改性，能够提高颜填料在防锈颜料中的分散性能，更好地满足水性环氧树脂防锈底漆的防锈需要。

1 实验部分

1.1 主要原料及配方

主要原料：AB-EP-20型、AB-EP-37型、AB-EP-44型和AB-EP-52水性环氧树脂乳液(工业级，浙江安邦)，AB-HGF型、AB-HGA型和AB-HGT型水性环氧固化剂(工业级，浙江安邦)；分散剂(工业级，广州润富)；消泡剂、湿润剂、增稠剂和流平剂(工业级，东莞高斯进)；氧化铁红(工业级，上海一品)；防沉剂(工业级，德国毕克)；三聚磷酸铝(工业级，上海氟康)；炭黑(工业级，江西黑猫)、硅灰石、绢云母、滑石粉及高岭土(工业级，安徽金星)；纳米二氧化钛、氧化锌、碳酸钙、硫酸钡、去离子水(自制)。

水性环氧树脂防锈底漆生产基本配方如表1所示。

表1 水性环氧防锈底漆基本配方Table 1 Basic formula of waterborne epoxy coatings

其中环氧树脂乳液主要为环氧树脂AB-EP-20、环氧树脂AB-EP-37、环氧树脂AB-EP-44和环氧树脂AB-EP-52等4种混合物；漆浆混合物主要为纳米尺度的二氧化钛、氧化锌、碳酸钙和硫酸钡，氧化铁红、三聚磷酸铝、炭黑、硅灰石、绢云母、滑石粉及高岭土等颜填料，以及助剂I(流平剂、增稠剂、基材润湿剂和消泡剂)和去离子水；助剂II主要为分散剂、润湿剂、防沉剂和消泡剂混合物。水性固化剂主要为水性环氧固化剂AB-HGF、AB-HGA和AB-HGT的混合物。

1.2 纳米颜填料的合成与表征

纳米二氧化钛、氧化锌、硫酸钡和碳酸钙等用于涂料改性的颜填料，采用沉淀法或水热法等液相法在实验室自行合成[6-9]。改性前后产物的形貌与尺度采用扫描电子显微镜(Zeiss公司，EVO@18)进行表征。

1.3 改性水性环氧树脂防锈底漆的制造工艺

按配方量称取去离子水、分散剂、润湿剂、消泡剂、防沉剂、氧化铁红、二氧化钛、氧化锌、硫酸钡、碳酸钙和其他颜填料，高速搅拌混合30 min，后转至砂磨机中研磨至细度≤40 μm。在制成的细料中加入水性环氧树脂乳液及助剂II和适量的去离子水，低速搅拌均匀，调整粘度，过滤包装。所制得的漆料组分与水性胺类固化剂组分按2～8.6∶1的比例(质量比)配制成水性环氧树脂防锈底漆。

图1 改性水性环氧防锈底漆的工艺流程图

Fig.1 Process flow chart of modified waterborne epoxy coatings

1.4 产品性能测试

产品综合性能测试由安徽省建筑工程质量第二监督监测站按HG/T 4159-2014和Q/KL 02-2018标准进行，检测了涂料在容器中的状态、漆膜外观、干燥时间、冲击力、附着力、柔韧性、耐温变性、耐水性、耐酸碱、耐盐雾性、施工性和固含量等性能指标。

2 结果与讨论

2.1 产品综合性测试结果分析

表2 产品综合性能检测报告表Table 2 Test report of product comprehensive performance

通过产品综合性能检测报告(表2)分析，可以看出通过改性得到的水性环氧防锈涂料的各项性能指标均符合或超过国标要求。

2.2 漆浆中纳米防锈颜填料w值的确定

纳(微)米改性颜填料在底漆中的不同用量对底漆性能有着较大影响，涂料中纳米混合颜填料与基料的质量比用w表示。不同改性颜填料用量对涂料性能影响如表3所示。从表3可知，随着w值的增大，虽然底漆的干燥时间变短，但是底漆的柔韧性、附着力和耐冲击性均逐渐降低，且涂膜耐酸碱的起泡性逐渐降低，而锈蚀性却逐渐增大。这可能因为在低w值的情况下，涂层中低含量改性颜填料颗粒基本被水性环氧树脂乳液包覆在涂层中，涂层可以形成一个连续致密的膜，这会导致涂膜的柔韧性、附着力和耐冲击性变好，但是其存在干燥时间变长，酸碱性环境中会起泡；而改性颜填料质量分数超过一定值时，虽然涂膜的干燥时间变短、不起泡，但其柔韧性、附着力和耐冲击性变差，出现锈蚀情况。因此，综合考虑选择w为22%纳(微)米颜填料来制备防锈底漆。

表3 改性颜填料的w值对防锈底漆性能的影响Table 3 Effect of w value on properties of waterborne epoxy coatings

2.3 改性前后产品的SEM图比较分析

由图2A可知，未经改性的防锈涂料颗粒较大，未改性处理的颜填料在水性环氧涂料中团聚现象严重，分散不均匀，颜填料粒子和涂料基料的相界面较为明显。由扫描电镜图2B可见，而经过纳米改性处理的防锈颜填料颗粒直径较小且分散比较均匀，在涂料中分散性能好；粒径小且有部分纳米线状结构，而具有较大的比表面积和较高的表面能，既可以使金属底材接触面积变大，还可以增强两者的结合力，导致漆面更加致密，防锈效果更好效果更佳。

图2 改性前后的防锈涂料SEM图片Fig.2 SEM photos of modified waterborne epoxy coatings

2.4 改性前后水性环氧防锈涂料主要性能指标对比

改性前后水性环氧防锈涂料主要性能指标对比如表4所示。由表4可知，改性水性环氧底漆综合性能优异，达到溶剂型环氧涂料的防锈水平。

表4 水性环氧防腐涂料主要性能指标Table 4 Main performance indicators of waterborne epoxy coatings

3 结语

采用纳(微)米颜填料改性的水性环氧树脂防锈底漆，具备优异的耐盐雾性能；当颜基比w值为22%时，此时水性环氧树脂防锈底漆具有最佳的综合性能。