快干水性钢结构防腐蚀涂料的制备及性能

2021-07-29于国玲赵万赛王学克

弹性体 2021年3期

于国玲，赵万赛,王学克

(1.南阳农业职业学院，河南南阳 473000；2.宣城市宣州区生态环境分局，安徽宣城 242000；3.南阳市水性环保涂料工程技术研究中心，河南南阳 473000；4.南阳卧龙漆业有限公司，河南南阳 473000)

由型钢和钢板组成的钢结构是当前重要的建筑结构类型，具有施工简便、自重轻、强度高、制造安装机械化程度高、建筑工期短等优点。在场馆、厂房、高层建筑等领域有非常广泛的应用[1-3]。钢结构拆除后基本无建筑垃圾产生，可重复利用，因此也是一种节能环保的建筑材料[4-5]。但耐腐蚀性差是其明显的缺点，特别是在潮湿环境中更易锈蚀，严重的会出现机械强度下降，影响建筑安全性，因此需要定期刷涂防腐蚀涂料进行维护[6-7]。

目前，钢结构用防腐蚀涂料主要是油性涂料，由于VOC含量较高，对环境污染较大。随着环保法规的实施和人们环保意识的增强，水性涂料作为绿色环保涂料品种在钢结构的涂装上得到了一定的应用[8-10]。本研究以水性丙烯酸改性醇酸树脂和水性丙烯酸乳液为成膜物质，选择合适的助剂制备出一种快干水性钢结构防腐蚀涂料。研究了成膜物的选择、助溶剂的种类及用量、水性丙烯酸改性醇酸树脂及水性丙烯酸乳液的用量对涂料性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料

水性丙烯酸改性醇酸树脂：W-02，南阳卧龙漆业有限公司；水性丙烯酸乳液：812A，广州荣东化工有限公司；金红石型钛白粉：R-566，天津麦斯特科技有限公司；消泡剂：德国毕克公司；三乙胺：南京润升石化有限公司；乙二醇丁醚(EM)：济南莱德化工有限公司；丙二醇甲醚(PM)：济南铭信化工有限公司；正丁醇(NBA)、异丙醇(IPA)：天津市博迈商贸有限公司；分散剂：南通市晗泰化工有限公司；BGS酞青蓝：广州元成颜料化工有限公司；水性催干剂：佛山市高明同德化工有限公司；色素炭黑：天津亿博瑞化工有限公司；去离子水：自制。

1.2 仪器及设备

60°光泽仪：西瓦卡精密量仪(东莞)有限公司；F-550型搅拌砂磨分散多用机：秦皇岛鹏翼化工机械有限公司；QCJ-50型冲击试验机：西安博汇仪器仪表有限公司；电动铅笔硬试验机：东莞市富瑞达仪器科技有限公司；QXD-50型刮板细度计：上海锦锚工业科技有限公司；QTY-10A型漆膜圆柱弯曲试验器：河北中科路仪试验仪器有限公司。

1.3 快干水性钢结构防腐蚀涂料的制备

在搅拌罐中依次加入准确计量的自制水性丙烯酸改性醇酸树脂W-02和三乙胺，搅拌均匀后再加入分散剂、去离子水、加入原料中，搅拌加入贝母粉、金红石钛白、中铬黄、酞青蓝、炭黑、沉淀硫酸钡、和丙二醇甲醚，以高速分散20 min后，上机研磨至细度20 μm以下放出，加入水性催干剂、812A，加入原料中分散均匀后，搅拌加入增稠剂，加入原料中分散20 min后过滤即得快干水性钢结构防腐蚀涂料。快干水性钢结构防腐蚀涂料的基础配方见表1。

表1 快干水性钢结构防腐蚀涂料的基础配方

1.4 性能测试

将制得的快干水性钢结构防腐蚀涂料加水调整黏度至30～40 s(涂四杯,25 ℃)左右，喷涂在冷轧钢板(尺寸为100 mm×50 mm×0.5 mm，打磨至Sa1级，无需磷化和脱脂)上，按照GB/T 1727—1992《涂膜一般制备法》制备涂膜，湿膜膜厚为(20±3)μm，在室温(25 ℃)下干燥后养护7 d。

分别按照GB/T 9754—1988《色漆和清漆不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面光泽的测定》、GB/T 6742—2007《色漆和清漆弯曲试验(圆柱轴)》、GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》、GB/T 6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》、GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击测定法》、GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》和GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》测试60°光泽、柔韧性、耐中性盐雾、硬度、耐冲击性、漆膜的附着力和耐水性。

2 结果与讨论

2.1 成膜物的选择

成膜物质对涂料的性能起着决定性作用，水性钢结构涂料属于一般防腐性能要求的涂料品种。如无特殊要求，可选的成膜物类型有：水性醇酸树脂、水性丙烯酸乳液、水性醇酸/水性丙烯酸乳液、水性丙烯酸改性醇酸树脂、水性丙烯酸改性醇酸树脂/水性丙烯酸乳液等。实验以不同类型树脂为成膜物，按相同的颜基比(混拼使用时两种树脂的质量比为1∶1)配制出一系列涂料，测试性能如表2所示。

表2 不同类型涂料的性能

由表2可以看出，水性醇酸树脂涂料的干燥速度最慢，耐水性也最差。水性丙烯酸涂料的干燥性能较好，但耐水性一般，而且易闪锈。水性丙烯酸改性醇酸树脂涂料的耐水性较好，不易闪锈，但实干时间较长。水性醇酸树脂/水性丙烯酸乳液涂料的表干时间可以，但实干与耐水性能欠佳。水性丙烯酸改性醇酸树脂/水性丙烯酸乳液涂料的综合性能最优，耐水性可满足钢结构防腐要求，而且干燥性能符合工业化快速涂装要求。因此本实验选用水性丙烯酸改性醇酸树脂/水性丙烯酸乳液为快干水性钢结构防腐涂料的成膜物质。

2.2 树脂的中和及助剂的选用

水性丙烯酸改性醇酸树脂的中和是整个制备过程的关键步骤。为了避免中和稀释后在储存过程中水解变质和减少运输费用，水性丙烯酸改性醇酸树脂通常未中和或者部分中和，固体组分的分数在70%左右。使用前需要先加入三乙胺中和变成易溶于水的铵盐，再加水稀释至合适的黏度。如果直接把水、三乙胺和各种助剂一起加入水性丙烯酸改性醇酸树脂中，会出现不易分散、搅拌爬杆，甚至不溶解等现象影响使用。

催干剂应选用不影响乳液稳定性的水性催干剂，用量为树脂固体物质的分数的4%左右。消泡剂可分两次加入，一部分参与研磨，另一部分在配漆时加入，破泡与抑泡相结合，在成本允许的条件下，尽量使用聚醚改性有机硅类消泡剂以减少涂膜缺陷[11]。增稠剂可选用聚丙烯酸酯类和缔合型聚氨酯类，纤维素类增稠效果好但流平性欠佳，还影响涂膜的耐水性不宜使用[12]。成膜助剂能促进乳液的塑性流动和乳胶粒子的弹性变形，帮助成膜。常用的有醇酯类和醇醚类，前述的助溶剂丙二醇甲醚(PM)属于醇醚类，可作为成膜助剂，因此十二碳醇酯的用量可以适当减少或不用，在不影响成膜的前提下，尽量少用以减少VOC的排放。在钢结构上使用水性丙烯酸乳液基涂料，必须考虑涂料的防闪锈性，亚硝酸盐类防闪锈剂涂膜的耐水性影响较大，可选用炔醇基水性防闪锈剂[13-14]。

2.3 不同助溶剂对涂料性能的影响

水与有机大分子树脂的相容性较差，因此在制备水性涂料时通常需要加入一定量的助溶剂，既能溶解有机树脂，又能溶于水。适宜的助溶剂可有效促进有机树脂在水中的分散，增加润湿性，改善流平性[15-16]。常用的助溶剂有EM、PM、NBA、IPA等，以水性丙烯酸改性醇酸树脂W-02和水性丙烯酸乳液812A为成膜物质，m(W-02)∶m(812A)=180∶300，固定实验条件与其余物料的量(助溶剂的添加量为涂料总质量的5%)，不同助溶剂对涂料性能的影响见表3。

表3 不同助溶剂对涂料性能的影响

由表3可以看出，以NBA、IPA为助溶剂，由于对有机树脂的溶解能力有限，挥发速度慢，造成涂料的表干时间延长、光泽度和储存稳定性较差；以EM、PM为助溶剂，涂料表干时间短、光泽高、溶解性与储存稳定性好。但乙二醇丁醚对人体有较大危害，不宜使用，因此下面实验以丙二醇甲醚作为体系的助溶剂。

2.4 助溶剂的用量对涂料性能的影响

固定实验条件与其余物料的量，助溶剂的用量对涂料性能的影响见表4。

表4 助溶剂的用量对涂料性能的影响

由表4可以看出，随着助溶剂用量的增加，涂膜的光泽度逐渐提高。助溶剂的用量占涂料总质量的5%以下，涂膜的耐水性和硬度随着助溶剂用量的增加逐渐提高；超过5%时随着助溶剂用量的增加，涂膜的耐水性和硬度反而有所下降。这是因为适宜的助溶剂用量可以提高树脂在水中的分散性能，促进形成均一致密的涂膜，过量的助溶剂会延长涂料的干燥时间，残存的助溶剂会使涂膜发软，含有亲水基团的助溶剂使涂膜的耐水性有所下降，适宜的用量为涂料总质量的5%。

2.5 树脂及乳液用量的影响

水性丙烯酸改性醇酸树脂是醇酸树脂与丙烯酸单体聚合，以甲基丙烯酸为酸性单体，在结构上引入羧基得到的，比水性丙烯酸乳液的成本高很多。因此配方设计的思路是在性能满足要求的前提下少用水性丙烯酸改性醇酸树脂。固定实验条件与其余物料的用量，改变水性丙烯酸改性醇酸树脂与水性丙烯酸乳液的用量，树脂及乳液用量对涂料性能的影响见表5。

表5 树脂及乳液用量对涂料性能的影响

由表6可以看出，树脂及乳液用量对涂料的光泽度、抗冲击、柔韧性、耐水性和干燥性能都有较大的影响。随着水性丙烯酸改性醇酸树脂用量的减少，涂膜的干燥时间逐渐缩短，但抗冲击、柔韧性、光泽度和耐水性都有所下降。干燥性能提高是因为双键数量增多所致；由于水性丙烯酸乳液是乳化得到的混合物，而且粒径较大，所以随着乳液用量的增加，涂膜的光泽有所下降；水性丙烯酸改性醇酸树脂长的碳链赋予了涂膜优异的柔韧性和抗冲击性能，随着水性丙烯酸改性醇酸树脂用量的减少，涂膜的柔韧性和抗冲击性能也随之下降[17-18]。另外，丙烯酸乳液中的乳化剂具有很强的亲水性，当丙烯酸乳液的比例较多时，涂膜的耐水性较差[19-20]。当m(W-02)∶m(812A)=3∶5时，涂膜的综合性能满足要求，而且成本最低。