氯丙共聚树脂水性涂料防腐性能的研究

2022-07-05王淑芬齐新慧张林松夏爱华丁运生杨卫平

上海涂料 2022年3期

王淑芬，齐新慧，刘超，张林松，夏爱华，丁运生，杨卫平

（1.合肥工业大学化学与化工学院，高分子材料与化工研究所，安徽合肥 230009；2.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥 230009；3.安徽天辰化工股份有限公司，安徽合肥 231601；4.安徽广信农化股份有限公司，安徽宣城 242000）

0 引言

金属腐蚀会产生经济损失和安全隐患。涂料在金属表面涂装形成涂层，具有屏蔽、缓蚀和电化学保护等作用，是目前较为经济和有效的金属防腐蚀方法[1］。随着环保要求的提高，传统溶剂型涂料因释放挥发性有机化合物（VOC），其应用受到限制。水性化与无溶剂化是防腐涂料的发展方向[2］。

聚氯乙烯（PVC）阻水、阻氧等性能优良，性价比高[3］，但存在成膜和耐候性较差等不足[4］，可以通过共聚与共混等方式实现其高性能化，满足使用需求。氯乙烯与丙烯酸酯（ACM）在水相中共聚后[5］得到的聚氯乙烯-丙烯酸酯共聚树脂（氯丙共聚树脂）水乳液[6］具有无毒、不易燃爆且与颜、填料相容性好等优点[7］，其配制的涂料粘结强度高[8］、通用性和适用性强，已经应用于木器涂饰、地面涂料和建筑内墙涂料等行业。

为提升氯丙乳液性能，扩大其应用范围，通过种子乳液聚合方法开发了系列氯丙共聚树脂水乳液，并研究了其性能。本研究选取两种氯丙共聚树脂水乳液，研究了以其为基体制备出的水性涂料的性能，探讨了氯丙共聚树脂水乳液应用于水性防腐涂料领域的可行性。

1 试验部分

1.1 主要原料

氯丙共聚树脂水乳液，中盐红四方-安徽天辰股份有限公司；水性红漆TC-1（固含量53.56 %）、水性灰漆TC-2（固含量54.21 %），安徽天辰股份有限公司；水性红漆TW-1（固含量55.41 %）、水性灰漆TW-2（固含量54.42 %），市售。氯化钠（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；去离子水，自制。

马口铁，规格为70 mm×150 mm，用乙醇浸泡清洗后置于烘箱中干燥备用。

1.2 氯丙共聚树脂水乳液的合成

以PVC水乳液为种子乳液，丙烯酸酯类为后续共聚单体，通过乳液聚合的方法合成了氯丙共聚树脂水乳液，具体的合成配方如表1所示，合成工艺示意图如图1所示。

表1 氯丙共聚树脂水乳液的基本配方Table 1 The basic formula of PVC/ACM waterborne emulsion

图1 氯丙共聚树脂水乳液的合成工艺示意图Figure 1 Schematic diagram of synthesis process of PVC/ACM waterborne emulsion

1.3 水性涂料的制备

水性涂料的基本配方见表2。

表2 水性涂料的基本配方Table 2 The basic formula of waterborne coatings

按照表2配方，在低速搅拌下将水、部分成膜助剂、分散剂、部分消泡剂和润湿剂依次加入反应釜中，混合均匀后慢慢加入颜料。颜料分散好之后再加入乳液、成膜助剂、消泡剂、pH调节剂和其他助剂，在1 000～2 000 r/min的转速下机械搅拌1 h后，出料、过滤，得到水性涂料。

1.4 样板制备

参照GB 1727—1992《漆膜一般制备法》，用涂布器在70 mm×150 mm的马口铁上制备涂层，然后将试样在50 ℃的烘箱中放置1 h，干膜厚度为（30±5）μm。样板在GB/T 9278—2008《涂料试样状态调节和试验的温湿度》规定的条件[温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%］下至少放置16 h，然后进行性能测试。

1.5 涂层性能测试

铅笔硬度：按照GB/T 6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》，使用QAT便携式铅笔划痕试验机进行测试。附着力：按照GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》，使用划格刀具进行测试。耐水性：按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》，漆膜干燥后用石蜡封边，放入水中浸泡，观察漆膜起泡、生锈的时间。耐中性盐雾性：按照ASTM B 117—2007《盐雾试验规程》中的方法用盐雾箱进行测试，测试温度为35 ℃，NaCl水溶液的质量分数为5 %。测试完成后，按照ASTM D 1654—2008《喷涂件耐腐蚀环境评估》对涂层的抗腐蚀能力进行评级。根据加速线周围腐蚀扩展距离的不同，将腐蚀情况分为11级，加速线周围没有扩展，被认定为抗腐蚀能力的最高级别，定为10级；扩展超过16 mm，被认定为抗腐蚀能力最弱，定为0级。

2 结果与分析

2.1 涂层铅笔硬度和附着力

4种涂层的铅笔硬度及附着力测试结果见表3。由表3可知，以氯丙共聚树脂水乳液为基材配制的2种水性涂料的铅笔硬度均为2H，较市场上现有的水性防腐涂料产品TW-1和TW-2的涂层硬度高，这可能是由于聚氯乙烯的玻璃化转变温度较高引起的。高的涂层硬度可以赋予涂层优异的耐刮擦、耐划伤性能，降低涂层在服役期间的破损概率，延长涂层的防护寿命。TC-1和TC-2的黏度也高于TW-1和TW-2，较高的涂料黏度可以保证涂装过程中的沾漆量，同时有利于防止颜料沉降，提高涂料的贮存稳定性。

表3 4种涂层的铅笔硬度及附着力测试结果Table 3 Hardness and viscosity of four kinds of coating

涂层良好的附着力对其防腐效果起着至关重要的作用。如果涂层的附着力较差，会造成其在使用过程中过早脱落，无法起到防护作用。4种涂层的附着力测试结果如图2所示。TW-1涂层沿切割边缘大块剥落，附着力等级为4级；TW-2涂层在网格切口交叉处和/或沿切口边缘有涂层局部脱落，附着力等级为2级；TC-1和TC-2涂层在网格切口交叉处仅有少许涂层脱落，附着力可以定为1级。由于氯丙共聚树脂中的丙烯酸酯含有羟基、羧基等官能团，这些极性官能团可与金属表面的官能团结合，从而提高涂层与金属基底的结合强度，使得TC-1和TC-2表现出更好的涂层附着力。

图2 涂层附着力测试结果Figure 2 Adhesion testing resutls of coating

2.2 涂层耐水性

耐水性是涂层抵抗水侵蚀的能力。涂层耐水性的优劣与涂层的防腐蚀效果有着十分重要的联系。若涂层耐水性不好，在遇到水的侵蚀时会起泡、起皱，甚至脱落，失去保护作用。4种涂层的耐水性测试结果见表4。

表4 4种涂层的耐水性测试结果Table 4 Water resistance test results of four kinds of coating

从表4中可以看出，TW-1的涂层在水中浸泡24 h后无明显变化，直至浸泡384 h时，涂层表面才出现轻微变化，说明其耐水性能较好。而TC-1、TC-2、TW-2涂层在水中浸泡24 h后，浸泡部分就出现了变色、起泡现象，这是由于涂层中的树脂或者颜料在水的作用下生成了发色基团，并且在浸泡过程中涂层软化和附着失效，涂层中的水分挥发将涂层顶起，说明涂层的耐水性较差。对于TC-1和TC-2而言，由于氯丙树脂中丙烯酸酯的酯键与水分子间的氢键作用较强，涂层容易吸附水分子，同时氯丙乳液制备过程中使用的亲水性乳化剂残留在涂层中也使得水分子被吸附并在涂层中渗透，从而导致涂层的耐水性下降。

2.3 涂层耐中性盐雾性能

经过168 h耐盐雾腐蚀前后的涂层照片如图3所示。由图3可见，TW-1涂层腐蚀后，加速线扩展不明显，耐盐雾性能最佳，抗腐蚀能力可以定为10级；TW-2、TC-1和TC-2涂层在中性盐雾试验后加速线扩展范围在0.5 mm内，抗腐蚀能力可以定级为9级。涂层的耐盐雾性能与其耐水性和附着力密切相关，TW-1涂层优异的耐水性有效地降低了水分子与金属基底的接触几率，减少了电化学腐蚀，使涂层显示出较好的抗腐蚀能力。尽管TC-1和TC-2涂层的耐水性稍差，但其出色的附着力减少了腐蚀粒子通过划线部分进入涂层与金属界面空隙的机会，同样表现出较好的抗腐蚀能力。