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水性环氧涂料防腐性能影响因素的研究

来源:未知 作者:admin 时间:2020-01-22 点击:
导读:采用水性环氧树脂与水性胺类固化剂作为成膜物,添加颜填料与助剂制备水性防腐涂料。讨论了水性环氧树脂、水性环氧固化剂种类、环氧/胺氢的物质的量比、防锈颜料的种类及用量对水性环氧涂料防腐性能的影响。制备出耐盐雾性能达500 h以上的水性环氧防腐涂料,超出了HG/T 4
水性环氧涂料防腐性能影响因素的研究
陈计波,高 鹏,刘胜普,韩 冰,韩伟豪
(石家庄市油漆厂,石家庄 050051)

0 前 言
金属在使用的过程中,受环境中各种因素的影响,会被氧化及腐蚀,不仅造成资源的浪费,还导致其各方面性能降低,带来直接和间接的经济损失。据统计,全球每年因腐蚀造成的损失巨大,金属的防腐已成为不容忽视的问题。利用防腐涂料对基材进行保护的方法,由于其工艺简单、施工便利、重复施工性强等优点,得到广泛应用。

随着经济的发展,环保的呼声越来越高,环保法规也越来越严格,水性涂料成为涂料发展的重要方向之一。水性环氧防腐涂料是以水性环氧树脂作为主要成膜物质,以水为分散介质的一种安全、环境友好的涂料,其VOC含量低,对环境污染小,便于贮存和运输,施工方式与溶剂型涂料相同,已成为涂料工业发展的一个研究热点。但是由于水性涂料具有一定的亲水性,涂膜在干燥后其防腐性能不及溶剂型涂料,导致水性涂料的市场竞争力较差,这给水性涂料的推广带来深远的影响。制备出高防腐性能的水性涂料,是工业领域推广使用水性防腐涂料的迫切任务。
本文采用不同水性环氧树脂、水性胺类固化剂作为成膜物,讨论了水性环氧树脂的种类、水性环氧固化剂的种类、环氧/胺氢物质的量比、防锈颜料种类及用量对水性环氧涂料防腐性能的影响。根据HG/T4759—2014《水性环氧树脂防腐涂料》进行性能测试,对配方进行优化,为实际生产应用提供参考。

1 实验部分
1.1 主要原材料
水性环氧树脂:安邦(EP1)、欣固圣(EP2)、亨斯迈(EP3)、瀚森(EP4)、元邦(EP5);水性环氧固化剂:安邦(AM1)、广树(AM2)、亨斯迈(AM3)、亨斯迈(AM4)、瀚森(AM5);分散剂,BYK;消泡剂,TEGO;防闪锈助剂,海名斯-德谦;氧化铁红,河北;防锈颜料:法国磷酸锌(a)、西班牙磷钼酸锌(b)、广西磷钼酸铝锌(c)、广西三聚磷酸铝(d)、重庆锶铬黄(e);体质颜料,国产;基材润湿剂,TEGO;流变助剂,BYK;去离子水,自制。

1.2 实验仪器
JJ500型精密电子天平,常熟双杰测试仪器厂;JSF-550A搅拌砂磨分散多用机,上海普申化工机械有限公司;QSD型刮板细度计,上海天辰现代环境技术有限公司;BAO-250A精密鼓风干燥箱,施都凯仪器设备(上海)有限公司;耐湿热试验箱,sheen;BGD881盐雾腐蚀试验箱,广州标格达实验室仪器用品有限公司;等。

1.3 基础配方
根据《水性环氧树脂防腐涂料》(HG/T 4759—2014)标准要求,结合客户施工环境、施工方式、配套方案等要求,确定基础配方,见表1。
水性环氧防腐涂料基础配方 Table 1 The Basic Formula of Waterborne Epoxy  Anticorrosive Coatings
1.4 涂料制备工艺
水性环氧涂料制备工艺:(1)在调漆罐中加入定量去离子水,在搅拌状态下依次加入分散剂、消泡剂,搅拌均匀后再加入氧化铁红、防锈颜料、体质颜料1 500r/min分散20 min直至浆料呈现均匀状态;(2)砂磨机砂磨至细度≤30 μm;(3)将称量好的水性环氧树脂加入成品罐中,搅拌状态下依次加入研磨好的水浆、基材润湿剂、防闪锈助剂,搅拌充分后用流变助剂调节到合适的黏度,过滤待用。
水性环氧固化剂根据计算进行配比使用。

1.5 性能测试标准与方法
按照产品行业标准HG/T 4759—2014,对涂料及涂层的各项性能进行测试,测试结果见表2。本实验涂膜耐水性、耐盐雾性、耐湿热性性能检测中,根据客户实际使用需求,样板膜厚为(55±5) μm,且耐盐雾试验采用样板划线法(样板中间划一条划痕)进行;实验中涂膜耐水性与耐湿热性在涂膜无异常情况下,分别达到720 h、600 h后停止测试。
水性环氧树脂涂料产品标准、测试方法及测试结果 Table 2 The Product Standards, Test Methods and Test Results of Waterborne Epoxy Coatings
2 结果与讨论
2.1 水性环氧树脂对涂膜防腐性能的影响
环氧树脂的水性化方法有:固化剂乳化法、机械法、相反转法和化学改性法,目前水性环氧树脂涂料体系所用的乳胶通常采用相反转方法或相反转法与化学改性法结合进行制备。本实验选用市面上成熟的双酚A结构水性环氧树脂产品,在选定树脂用量、颜填料及助剂的种类和用量后,采用不同水性环氧树脂制漆并分别与固化剂AM3进行复配,按相同环氧/胺氢物质的量比计算配比并制板。制样后按标准要求进行养护,进行性能测试,测试性能结果见表3。
水性环氧树脂对防腐性能的影响 Table 3 The Influence of Waterborne Epoxy Resin on Corrosion Resistance
通过表3可以看出,EP1环氧树脂制的涂膜表干与实干时间最长,这可能是由于EP1为E-51环氧树脂水性乳胶所制备涂料,该树脂常温下为液态,需要反应才能实干,而且由于其环氧当量数值小,配漆过程中需要使用更多固化剂导致成本增加,所以并不适合作为防腐涂料树脂使用;EP2、EP3和EP4均为E-20环氧树脂水性乳胶,在各性能上表现均衡,但是不同生产厂家在制备水性环氧树脂时,由于制备过程中所采用乳化剂种类的不同以及接枝链段的不同,导致水性环氧树脂在耐水性和耐盐雾性能上存在较大差异。本次实验中EP2环氧树脂耐盐雾性和耐水性最佳,适合应用于水性环氧防腐涂料。EP5环氧树脂制的涂膜表干时间较短,耐盐雾性一般,但该乳胶制备的涂料贮存性偏差,这可能是由于该乳胶基于E-14环氧树脂乳化而来,其软化点温度较高,水性化过程更加困难,导致乳胶稳定性差。

2.2 水性环氧固化剂的种类对涂膜防腐性能的影响
水性环氧固化剂一般为多元胺及其加成物。作为水性环氧涂料的重要组成部分,水性环氧固化剂很大程度上决定着涂料的涂膜性能。它在水中需要有较好的溶解性或分散性,形成均匀稳定状态,同时能够较好地互溶于水性环氧树脂,形成均匀稳定的多相体系。本实验采用EP2乳胶所制的涂料分别与国内外不同水性环氧固化剂进行复配使用,按相同环氧/胺氢物质的量比计算配比并制板,检测涂膜性能,检测结果见表4。
水性环氧固化剂对防腐性能的影响 Table 4 The Influence of Waterborne Epoxy Curing Agent on Corrosion Resistance
通过表4可以看出,不同水性环氧固化剂所制备涂膜在干燥时间、耐水性、耐盐雾等性能上存在明显差异。固化剂AM1所制得涂膜干性良好,耐水性、耐盐雾性、耐湿热性均较差;固化剂AM2所制得涂膜干性一般,耐水性、耐盐雾性、耐湿热性一般;固化剂AM3所制得涂膜干性良好,具有优异耐水性、耐盐雾性、耐湿热性;固化剂AM4所制得涂膜干性一般,耐水性、耐盐雾性、耐湿热性良好;固化剂AM5所制得涂膜干性优良,耐水性、耐盐雾性、耐湿热性一般。
对比实验结果发现,树脂类型水性环氧固化剂所制备涂膜防腐性能整体优于树脂类型的水性环氧固化剂,推测原因是树脂状水性环氧固化剂在参与反应时由于树脂内核亲水性差导致无法与环氧分子充分接触使其无法反应完全,导致涂膜中含有较多游离环氧分子与多元胺,降低了涂膜防腐性能。通过实验结果可以看出,固化剂AM3防腐性能最优,适合作为水性环氧防腐底漆固化剂使用。

2.3 水性环氧/胺氢物质的量比对涂膜防腐性能的影响
通过研究表明环氧当量与活泼氢当量的不同比例对涂膜性能有很大影响,当环氧树脂适当过量时,涂膜耐防腐性能、耐水等性能较好;当涂膜中胺过量时,涂膜光泽和机械性能较好。本实验采用EP2水性环氧树脂所制备涂料,与固化剂AM3进行复配,采用不同环氧/胺氢物质的量进行配比,制备涂膜并分别检测涂膜性能,检测结果见图1。
不同环氧/胺氢物质的量比对耐盐雾性能影响曲线 Fig. 1 Curve of the Influence of Different Epoxy/Amine Hydrogen Molar Ratios on Salt Fog
通过图1可以看出,当环氧/胺氢物质的量比逐渐增加时,涂膜耐盐雾性出现先增加后减少情况。当环氧/胺氢物质的量比小于1.0时,由于过量的水性胺固化剂游离在涂膜中,造成涂膜的交联网络不严密,同时水性胺具有亲水性,导致涂膜耐盐雾性、耐水性能较差;当环氧/胺氢物质的量比为1.1~1.2时,环氧稍微过量,减少了涂膜中游离水性胺固化剂的量,涂膜防腐蚀性和耐水性能优良;但当环氧/胺氢物质的量比为1.3时,较多的环氧单体不能参与反应会降低涂膜交联密度,导致涂膜耐盐雾性能下降。为了涂膜得到更好的防腐性能,选择环氧/胺氢物质的量比为1.1~1.2。

2.4 防锈颜料的种类及用量对涂膜防腐性能的影响
在防腐涂料中,防锈颜料对涂膜的防腐性起着重要作用。涂料中的防锈颜料能与金属基材表面或涂料成膜物质中某些成分起化学反应,从而使金属表面钝化或生成保护性物质。磷酸锌可与金属基材产生复杂的物理化学反应,磷酸锌与3价铁离子具有很强的络合能力,可形成以磷酸铁为主体的坚固保护膜。该保护膜不溶于水,具有较高的硬度和优异的附着力,因此可以实现较好的防腐蚀效果,起到了阳极钝化的作用。随着人们环境友好意识的逐渐增加,防锈颜料中铅系、铬酸盐系防锈颜料已逐渐被取代,环境友好型活性防锈颜料成为人们关注的重点。本实验选取不同种类防锈颜料作为原材料,测试其在相同占比时对涂膜耐盐雾性能的影响,测试结果见图2。
不同种类防锈颜料涂膜耐盐雾时间对比图 Fig. 2 The Comparison of Salt Fog Tolerance Time of Different Kinds of Antirust Pigments
通过图2可以看出,防锈颜料复配使用时,耐盐雾性能会优于单独使用某一种防锈颜料。当防锈颜料a与防锈颜料b两种环境友好型防锈颜料复配使用时,腐性能最佳;在含有铬酸盐的非环境友好型防锈颜料e存在时,水性环氧涂料防腐性可以得到很大提高,目前在防腐性能上仍然优于环境友好型防锈颜料。为保障产品的环保性,选择m(防锈颜料a)∶m(防锈颜料b)=1∶1复配作为本次研究的防锈颜料。
为了测试不同含量防锈颜料对涂膜耐盐雾性能的影响,设计实验采用防锈颜料m(防锈颜料a)∶m(防锈颜料b)=1∶1,分别测试添加不同含量防锈颜料时,涂膜耐盐雾性能变化情况,测试结果见图3。
不同含量防锈颜料对耐盐雾性能影响曲线 Fig. 3 Curve of the Influence of Different Antirust Pigment Contents on Salt Fog Resistance
通过图3可以看出:随着防锈颜料的使用量逐渐增多,涂膜耐盐雾性能出现先逐渐增加后逐渐下降情况,说明涂膜的耐盐雾性能并不能单纯通过增加防锈颜料的使用量而提高。这可能是由于当防锈颜料含量过高时,可与金属基材产生反应的磷酸锌出现过量,不能继续提升涂膜的防腐性能,同时涂膜中过多的活性成分使涂膜致密度下降,最终导致涂膜耐盐雾性能下降。防锈颜料在加量至10%时,防锈性能出现最佳。

3 结 语
(1)不同水性环氧树脂在干燥时间与防腐性能上存在明显区别,固体型水性环氧树脂EP2制备涂膜综合防腐性能最佳。
(2)树脂类型水性环氧固化剂所制备涂膜防腐性能优于树脂类型的水性环氧固化剂,水性环氧固化剂AM3防腐性能优良,可作为水性环氧防腐固化剂使用。
(3)通过对水性环氧涂料防腐性能对比,发现随环氧/胺氢物质的量比值的逐渐增加,涂膜防腐性出现先增后降情况,当环氧/胺氢物质的量比为1.1~1.2时涂膜防腐性能最佳。
(4)对于水性环氧防腐涂料,复配使用防锈颜料一般会得到更加良好的防腐效果,防锈颜料a与防锈颜料b搭配使用防腐性能最佳;涂膜的耐盐雾性能并不能单纯通过增加防锈颜料的使用量而提高,防锈颜料在加量至10%时,防锈性能最佳。

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