钢结构用水性丙烯酸底漆的制备与性能研究

朱斌勇，张博晓，裴 勇，张 培

(广州集泰化工股份有限公司，广东 广州 510520)

丙烯酸树脂是较早成功水性化的树脂之一，丙烯酸涂料是较早水性化的涂料种类之一。因此水性丙烯酸涂料一直以来都是水性涂料领域的研究热点。目前水性丙烯酸涂料的研究工作主要分为三个方面。第一个方面是树脂的改性研究[1]；第二个方面是无机填料或功能填料对水性丙烯酸涂料的改性研究[2-3]；第三个方面是水性丙烯酸涂料的配方研究，即原材料种类筛选与比例的调整[4-5]。涂料企业的研究工作一般以配方研究为主。

由于轻防腐钢结构用的溶剂型涂料的市场价格不高。在钢结构领域，水性涂料进入市场的早期与溶剂型涂料竞争时，往往也追求良好的性价比。水性丙烯酸涂料因其具有良好的耐水性能、防腐性能以及良好的性价比。使得水性丙烯酸涂料在钢结构轻防腐中的应用十分广泛。钢结构的构件体积一般较大，构型也较复杂。在进行涂料施工时，常以室内施工及自然干燥为主，施工时对场地的空间要求也很高。所以在追求良好防腐性能的同时，也要兼顾良好的干燥性能与初期耐水性能。

本文重点研究了树脂，颜基比，分散剂与溶剂对涂料干燥性能、贮存稳定性、耐盐雾性能、早期耐水性等性能的影响。最后制备了一种综合性能完全符合钢结构使用标准的水性丙烯酸底漆。

1 实 验

1.1 实验原料

快干王丙烯酸乳液，蓝德堡实业有限公司；Tn-6119丙烯酸乳液，浙江天和树脂有限公司；Wantipro 0612丙烯酸乳液，万华集团；8008丙烯酸乳液，东莞市水启迪新材料有限公司。

纤维素3KB，亚什兰；分散剂SN-1798、消泡剂SN-6791，上海深竹化工科技有限公司；分散剂BYK-190，毕克化学；增稠剂12w，分散剂731a，陶氏化学；成膜助剂OXFILM 351，广州东博化工有限公司；分散剂A987，江门菲高；消泡剂A-10，巴斯夫；迪高4100，赢创；防闪锈剂H14，上海御捷新材料科技有限公司；防冻剂V200，维宁新材料；丙二醇、异丙醇、无水乙醇，氨水，工业级，市售；去离子水，自制。

钛白粉，氧化铁黑，氧化铁红，防锈颜料，滑石粉，硅灰石，硫酸钡等市售。

1.2 仪器设备

BGD 750/1型搅拌砂磨分散多用机、刮板细度计、斯托默粘度计，广州标格达试验室仪器用品有限公司；QTX涂膜柔韧性测定器，上海现代环境工程技术有限公司；CZ290A型精密型盐水喷雾试验机，众志检测设备有限公司。

1.3 水性丙烯酸防腐涂料的制备

钢结构用水性丙烯酸底漆的制备配方见表1。

根据表1中各组分的用量按如下步骤制备钢结构用水性丙烯酸底漆：(1)浆料的分散，将去离子水，纤维素加入反应釜中，高速分散至均匀；然后将消泡剂、氨水、分散剂、成膜助剂、溶剂依次加入反应釜中；最后将粉料加入到反应釜中，中速搅拌至均匀。(2)浆料的研磨，将浆料研磨至细度不大于50 μm。(3)调漆，将丙烯酸乳液，研磨好的浆料，消泡剂，氨水，防闪锈剂，润湿剂依次加入反应釜中，充分搅拌混合均匀。(4)增稠，将增稠剂缓慢加入反应釜中，充分搅拌至黏度均一，过滤即得到产品。

1.4 测试与表征

按照GB/T 9271的要求制备样板，漆膜的基本性能按照表2中的相应标准进行检测。

表2 漆膜的性能测试项目及相关国家标准

2 结果与讨论

2.1 树脂对漆膜性能的影响

在一定程度上，树脂的性能决定涂料的性能，因此，选择性能良好的树脂至关重要。其中，在钢结构用水性丙烯酸底漆中，水性丙烯酸树脂对漆膜影响较大的是耐盐雾性能与耐水性能。而在标准HG/T 5176-2017《钢结构用水性防腐涂料》中并没有对底漆的耐盐雾性能有所要求。因此配套我司的水性丙烯酸面漆JT-208M，测试耐盐雾性能。

在其他原料用量相同的情况下，利用快干王丙烯酸乳液，Tn-6119丙烯酸乳液，Wantipro 0612丙烯酸乳液，8008丙烯酸乳液，制备了四种钢结构用水性丙烯酸底漆。并制备样板测试性能如表3所示。

表3 树脂对漆膜性能的影响

由表3可以看出不同厂家的树脂，其性能表现也不一。通过耐盐雾性能的测试结果得知快干王丙烯酸乳液、Tn-6119丙烯酸乳液，Wantipro 0612丙烯酸乳液制备的底漆与我司的水性丙烯酸面漆JT-208M的配套耐盐雾性能均能达到120 h。从早期耐水性的测试结果可以看出，除8008丙烯酸乳液外，其他丙烯酸乳液制备的水性丙烯酸底漆均拥有良好的早期耐水性能。

因此，快干王丙烯酸乳液、Tn-6119丙烯酸乳液与Wantipro 0612丙烯酸乳液均能用来制备钢结构用水性丙烯酸底漆。

2.2 颜基比对漆膜性能的影响

一般情况下，钢结构在涂装施工过程中，往往对场地空间的要求较大，其主要原因是钢结构构件的尺寸较大且构型复杂，涂料涂装后也只能自然干燥。因此涂料的干燥速度就直接影响了施工效率。

总所周知，水性涂料的干燥一共分为四个阶段，分别是湿膜阶段、颗粒的密堆积阶段、颗粒的堆积变形阶段与均一漆膜阶段。钢结构用水性丙烯酸底漆属于单组份漆，其干燥方式大部分以自然干燥的为主，因此这每一阶段的变化都属于物理变化过程。所以，要提高钢结构用水性丙烯酸底漆的干燥速度，只能提高液漆的质量固含，降低液漆的含水量。

目前，绝大部分市售的水性丙烯酸乳液的质量固含在40%～50%之间，提高树脂用量往往不能提高液漆的质量固含，相反还会提高液漆的含水量。因此，提高涂料的颜基比就成为提高干燥速度的较好的方法。

较高的颜基比往往会带来液漆稳定性的问题，同时树脂用量的降低，也影响配套的耐盐雾性能。通过对液漆颜基比的设计，我们利用三种丙烯酸乳液，制备了多个颜基比条件下的液漆，其性能变化如表4所示。

表4 不同的颜基比对涂料性能的影响

由表4可以看出，涂料的颜基比越高，其质量固含越高，表干时间越短。同时，液漆的贮存稳定性也越差。相同的颜基比，不同乳液制备的钢结构用水性丙烯酸底漆的表干时间差异不大。

从不同乳液制备的钢结构用水性丙烯酸底漆配套我司的水性丙烯酸面漆JT-208M测试的耐盐雾性能的数据可以看出，随着颜基比的增大，树脂用量逐步减少，配套耐盐雾性能有所降低。其主要原因是树脂用量降低，涂料的PVC值升高，漆膜的封闭性能降低导致。同时提高涂料的颜基比，涂料的表干时间也越来越短。

从实验数据看出快干王丙烯酸乳液制备的钢结构用水性丙烯酸底漆，其贮存稳定性、耐盐雾性能良好，同时也能制备高颜基比的涂料。因此我们选择快干王丙烯酸乳液作为钢结构用水性丙烯酸底漆的树脂，配方颜基比则设定为2.7。

2.3 分散剂对涂料性能的影响

一般情况下，常规的丙烯酸乳液是不能参与研磨的。故在水性丙烯酸涂料的生产中，多设计成无树脂浆料。那么选择良好的分散剂至关重要。因为良好的分散剂，其降低浆料粘度的效果良好，方便浆料的研磨；同时，性能良好的分散剂也不会影响涂料的贮存稳定性与耐水性能。

在水性丙烯酸涂料中，常用的分散剂有多种类型。对此我们选取了四种分散剂，依次为非离子型分散剂BYK-190与SN-1798，离子型分散剂A987与731a。主要试验其对涂料浆料黏度及贮存稳定性的影响，如表5所示。其中浆料的黏度使用目测的方法观察，并记录浆料黏度达到合适研磨黏度时的最低用量。

表5 分散剂的用量对涂料性能的影响

由表5可以看出，非离子型分散剂的使用量均远远高于阴离子型分散剂，这说明阴离子型分散剂的分散效率或者是降黏效果要优于非离子型分散剂。

分散剂的主要作用是让细粒物质分散于水中，并能形成稳定的悬浮液。其和流变助剂搭配可以使得涂料拥有良好的贮存稳定性。本组实验也验证了分散剂与增稠剂12W配合使用，在其他条件相同的情况下，得出了贮存稳定性合格时分散剂的最低使用量，同时验证其早期耐水性能。

从表5还可以看出，液漆贮存稳定性良好时分散剂的用量要远远高于浆料可研磨分散剂的最低用量。非离子型分散剂不会带来早期耐水的问题，离子型分散剂则存在早起耐水不合格的风险。综合考虑原材料成本、浆的稠度以及综合性能，实验制备的钢结构用水性丙烯酸底漆使用731a作为分散剂。

2.4 溶剂对涂料性能的影响

钢结构用水性丙烯酸底漆的冻融稳定性直接关系到涂料在低温环境时的稳定性。因此，在标准HG/T 5176-2017《钢结构用水性防腐涂料》中，对水性底漆的冻融稳定性是有明确要求的。

通常情况下，我们利用醇类溶剂来改善水性涂料的冻融稳定性。因此，筛选丙二醇、异丙醇，以及混合多元醇防冻剂V200来实验对比，实验结果如表6所示。

表6 不同添加量的溶剂对冻融稳定性的影响

由表6可以看出，异丙醇、丙二醇及V200均能改善水性丙烯酸底漆的冻融稳定性，但是添加量却不相同。通过添加量可以看出，丙二醇在实验体系中的添加量最少，其最少添加量为1.5%，因此选择丙二醇作为抗冻融的溶剂。

2.5 涂料性能

根据上述实验对原材料筛选的结果，我们制备了钢结构用水性丙烯酸底漆。其主要性能测试结果如表7所示。其中附着力，耐水性，耐酸性，耐中性盐雾均为配套测试。面漆配套为我司的水性丙烯酸面漆JT-208M。

表7 涂料的性能测试结果

3 结 论

通过对树脂、溶剂及部分助剂筛选，树脂选择快干王丙烯酸乳液作为成膜树脂，颜基比设定为2.7。溶剂选择丙二醇，其添加量为1.5%。分散剂选择731a，其添加量为0.4%。制备的钢结构用水性丙烯酸底漆的质量固含高，表干时间短，耐盐雾性能、抗冻融稳定性、贮存稳定性、早期耐水性与耐水性均良好。其综合性能完全符合水性丙烯酸底漆在钢结构中的应用。