无机改性水性涂料的制备及其性能研究

荆凡迎，李金龙，陈 宇

(滨州学院 化工与安全学院，山东 滨州 256600)

金属材料因其优良的机械性能，良好的导电、导热等性能，广泛地应用于工业发展与人民日常生活中。然而，这些金属材料在使用过程中，由于受到腐蚀性粒子的侵蚀，易发生腐蚀，严重地还会引起安全事故。因此，需要采取一定的措施抑制金属材料的腐蚀。有机涂层是一种抑制金属材料腐蚀的重要手段。传统的有机涂层为溶剂型，原材料中含有诸多有毒的挥发性有机物，对社会和环境产生了重大危害。受国家可持续发展战略的要求，开展无毒无污染的水性涂料的研究与应用具有重大意义。

水性涂料在成膜时，残留的亲水基团会在涂料内部形成极性通道，从而加速水分子及各种侵蚀性粒子到达金属基底表面，造成金属材料的腐蚀，这使得水性涂料的防腐蚀耐久性比不上溶剂层涂料[1]。因此，需通过添加功能性颜填料和助剂改善其综合性能。覃园斯等[2]通过优化双组分水性环氧树脂涂料中颜填料的组成，获得了一种耐蚀性能优异的水性涂料。杨璐璐等[3]分别用氨基硅油和纳米二氧化硅改性水性环氧，制备得到了具有优良附着力、热稳定性和耐蚀性能的疏水涂层。吕荣华等[4]通过添加防闪锈剂和磷钼酸锌获得的水性双组分环氧涂料，具有施工性能好，防腐性能好等优点。

本文固定颜填料体积浓度为25%，考察不同颜填料级成对附着力，硬度、耐盐水和盐雾试验等性能的影响，从而制备出一种兼具优良附着力、硬度和防腐蚀性能的水性双组分环氧涂料。

1 试 验

1.1 涂层制备

水性环氧树脂以及配套的固化剂购于济宁华凯树脂有限公司。颜填料三聚磷酸铝、氧化铁红、磷酸锌和滑石粉均采购于阿拉丁试剂公司。

首先取一定质量的颜填料三聚磷酸铝、氧化铁红、磷酸锌、滑石粉分别加入烧杯中，在烧杯中加入一定量的去离子水进行搅拌，待颜填料全部溶解分散后，用分散磨砂机进行研磨，研磨速度为3000 r/min，得到各种组分的颜料浆，实验过程中保证颜填料的体积浓度为25%。然后将水性环氧树脂和颜料浆混合均匀，用分散磨砂机分散研磨25 min，分散速度为400 r/min，，即可得到水性环氧防锈涂料A料。将制备的A料与配套的水性环氧树脂固化剂以2∶1的比例混合，不断用玻璃棒进行搅拌，待均匀后将其涂覆在马口铁上，室温固化即可制得水性环氧防锈漆膜。

本试验通过改变颜填料的组成来考察颜填料种类对于水性环氧防锈涂料综合性能的影响规律，拟定以下4个不同的颜填料组分进行对比实验：

①空白组：仅由水性环氧树脂和固化剂制备而成的漆膜；②普通组：在水性环氧树脂和固化剂中只加入颜填料滑石粉；③防锈组1：在水性环氧树脂和固化剂中加入颜填料滑石粉、普通物理防锈填料氧化铁红，滑石粉和氧化铁红的质量比为1∶1；④防锈组2：在水性环氧树脂和固化剂中加入颜填料滑石粉、普通物理防锈填料氧化铁红和化学防锈填料三聚磷酸铝和磷酸锌，其中滑石粉、氧化铁红、三聚磷酸铝和磷酸锌的质量比为1∶1∶1∶1。

1.2 性能测试

采用电动漆膜附着力测试仪测试不同的颜填料组分的水性环氧涂层的结合力，根据GB/T 9274-1988测试水性环氧涂层的耐盐水性，采用铅笔硬度法测试涂膜的硬度，根据GB/T 10125-1997进行盐雾试验。

2 试验结果与讨论

2.1 颜填料对涂层附着力的影响

图1 附着力画圈法测试结果

图1为采用电动漆膜附着力测试仪对涂膜进行附着力的测试结果。空白组中涂层对基材具有极高的附着力，柔韧性好，测得的附着力均为0级。普通组中添加了颜填料体积浓度为25%的滑石粉。滑石粉是一种功能体制填料，其主要成分为硅酸镁，其片状结构可以降低期末的裂纹敏感性，延长腐蚀介质的扩散路径，普通组漆膜测得的附着力为1级。防锈组1中添加的氧化铁红是一种物理防锈颜料，其化学性质稳定，具有较好的着色力和遮盖力可是漆膜致密，降低渗透性。但是由于

其质地坚硬，漆膜附着力会有所下降，因此测得的附着力为2级。防锈组2中同时添加了适量的滑石粉、氧化铁红、三聚磷酸铝和氧化锌。三聚磷酸根离子与各种金属离子有较强的螯合力；磷酸锌是一种无毒、高效的新型金属防腐蚀活性颜料，可以提高漆膜的附着力，因此该组分漆膜测得的附着力为0级。由此可知，在水性环氧树脂中添加适量的滑石粉、氧化铁红、三聚磷酸铝和磷酸锌颜填料，有助于提高漆膜的附着力强度。

2.2 颜填料对涂层硬度的影响

利用铅笔划痕试验仪测得不同颜填料成分的水性环氧涂层的硬度，其测试结果如图2所示。空白组制备得到的漆膜的硬度为2H。普通组虽然通过添加滑石粉，改善了漆膜与基材的结合性，但并未增强漆膜的硬度，普通组漆膜的硬度为2H。防锈组1中在添加滑石粉和氧化铁红的条件下，漆膜更加致密，且漆膜的柔韧性也有明显降低，但漆膜的硬度未见显著变化，其测得的硬度也为2H。防锈组2中添加的三聚磷酸根离子与各种金属离子有较强的螯合力，相对增加了漆膜的硬度，因此防锈组2的漆膜硬度最好，为4H。综上可知，防锈组2的硬度最优。

2.3 颜填料对涂层耐盐水腐蚀性能的影响

图3 普通组盐水试验测试结果

不同颜填料成分的水性环氧涂层涂在马口铁片上，待成膜干燥后，将其浸泡在3.5%的盐水中360 h，观察漆膜的表观形貌的变化，相关测试结果见图3。空白组中由于没有添加任何颜填料，在3.5%盐水中浸泡360 h后，铁片上产生少量的锈蚀，但是漆膜不起泡。普通组中加入滑石粉作为颜填料，滑石粉是一种功能体质填料，其片状结构可以降低漆膜的裂纹敏感性，改善漆膜与基地的结合性和耐候性，从而提高了其耐盐水性。

防锈组1中加入滑石粉和氧化铁红作为颜填料，氧化铁红是一种物理防锈颜料，其化学性能稳定，具有良好的耐久性，耐化学性和耐热性，可以降低渗透性等，因此可以提高漆膜的耐盐水性，漆膜不起泡。防锈组2中加入滑石粉、氧化铁红磷酸锌，三聚磷酸铝作为颜填料，三聚磷酸铝具有较强的螯合力，磷酸锌同时具有阴极极化和阳极极化作用，可以在漆料-颜料-底材之间形成化学键，从而有效提高了涂层的抗渗透性和防腐性，因此在3.5%盐水中浸泡360 h后，漆膜不起泡。

2.4 颜填料对涂层盐雾测试的影响

图4 盐雾试验后涂膜形貌

如图4所示，空白组720 h后划痕处生锈；普通组120 h后划痕处生锈；防锈组1在盐雾实验720 h后划痕处未生锈，但划痕处起泡；防锈组2划痕处无变化。产生上述变化的原因是未添加任何颜填料的空白组漆膜的防腐性能较差；普通组耐蚀性能有所增强；防锈组1中添加的氧化铁红化学性能稳定，具有良好的耐久性、耐化学性和遮盖力，屏蔽作用强，虽然在720 h之后划痕处起泡，但未生锈；防锈组2中不仅具备前面几组的优点，三聚磷酸铝能与各种金属离子螯合，在被涂物表面形成钝化膜，对钢铁以及轻金属等的腐蚀具有极强的抑制作用，而磷酸锌是一种无毒高效的新型金属防腐蚀活性颜料，在漆料-颜料-底材之间形成化学键，从而起到带锈防锈的作用，在盐雾试验中720 h后划痕处无变化。因此可以说带锈组的防腐蚀性能最佳。

3 结论

利用济宁华凯树脂有限公司生产的50%含量的水性环氧树脂以及50%含量的固化剂，添加滑石粉、氧化铁红、磷酸锌、三聚磷酸铝颜填料，成功配置出一种高性能的水性环氧树脂带锈涂料。当水性环氧带锈涂料颜填料体积浓度为25%，颜填料中滑石粉、氧化铁红、三聚磷酸铝和磷酸锌的质量比为1∶1∶1∶1时，漆膜的附着力为0级，硬度为4H，在3.5%盐水中浸泡360 h无变化，在盐雾实验中720 h无变化。