高性能水性环保防锈成膜材料的研制与应用

秦栋　梁清延　杨艳明　张常清　秦荣华

摘 要：在工业生产中，机械产品的流锈水问题一直是困扰着工艺技术人员的共性难题。水性防锈材料因其低挥发性有机化合物（VOC）排放、低毒性和易于处理的特点，近年来受到了广泛关注。本项目通过系统地筛选水性树脂、功能助剂和防锈添加剂及其配比，优化材料的配方，开发了一种高性能水性环保防锈成膜材料。通过广泛的实验室测试和玉柴公司生产线上的验证和应用，性能满足要求。

关键词：水性树脂 防锈材料 功能助剂

０ 前言

随着工业技术的不断发展，金属材料在各个领域的应用日益广泛。然而，金属材料在加工、存储和使用过程中，容易受到环境因素（如湿度、氧气等）的影响而发生锈蚀，这不仅影响了材料的使用性能和寿命，还增加了生产成本和维护难度。因此，开发一种高效、环保的防锈技术显得尤为迫切。传统的金属材料防锈方法主要包括使用含重金属溶液和涂防锈油。这些方法虽然在一定程度上起到了防锈作用，但存在着环境污染、施工不便、防锈周期短等问题。随着环保法规的日益严格和可持续发展战略的推进，开发一种环保、高效、长周期防锈的新型材料成为了行业的研究热点。水性防锈材料以其环保、安全、易施工等优点受到了广泛关注。本项目旨在研制一种以水性树脂为主要成膜材料的高性能水性环保防锈薄膜型成膜材料。该材料能够在常温下快速干燥，施工方便，且防锈周期长，对于推动金属材料防锈技术的绿色化、高效化具有重要意义。

1 实验设计

1.1 实验材料与设备

根据玉柴公司产线的工艺要求，该水性防锈材料需易于施工、常温自干、薄涂、防锈期长。初步筛选了四种水性材料，它们都能够常温自干成膜，包括两种水性丙烯酸树脂（B261、B291）、两种水性环氧树脂（H356、H389）。为了优化成膜性能和增强防锈效果，还选用了多种助剂，包括成膜助剂、润湿添加剂、流平助剂、防锈添加剂和防流挂助剂，这些材料均从专业化学品供应商处获得。

实验设备包括电热鼓风干燥箱、QCJ-50/100型漆膜冲击器、电子天平JM-A0002、盐雾试验机、附着力测试器、水浴试验箱、试验用小型高速搅拌机等。

1.2 样品的制备

在前期实验的基础上，优选了如表1所示的A、B、C、D四个配方。准确称取各种原材料和添加剂，按比例混合，使用高速搅拌器充分搅拌，确保所有成分均匀分散，调整pH值至适宜的范围，以优化涂料的稳定性和应用性能。

依据GB/T3186-2006标准，在标准铁板上涂布所制备的水性防锈材料，控制涂层厚度，一般控制涂层厚度在10±2um，然后将涂布好的试板放入干燥箱中，设置温度80℃下干燥。干燥完成后，我们对试板进行防锈性能、附着力、硬度等性能测试。通过对比不同试板的测试结果，分析水性防锈材料的性能表现，并优化制备工艺和配方。

1.3 性能测试

根据国家标准GB/T 1728-1989、GB/T 1720-1989、GB/T 1740-2007和GB/T 1771-2007，对涂层进行表干时间、附着力、耐湿热性及耐盐雾性能的测试是确保其质量符合行业标准的重要环节。下面我将对这些测试方法及其操作过程进行详细描述。

2 结果与分析

2.1 干燥时间

四种配方在室温25℃条件下的表干时间如表2所示，从中可以看出相较于A、C、D三种配方，配方B表干时间更短、展现出更优的干燥性能。满足快干要求。

2.2 附着力测试

附着力测试结果表明，配方B和C的附着力等级达到了0级，表明涂层与基体金属之间的附着非常良好。配方A的附着力等级为1级，配方D的附着力只有2级。

2.3 耐湿热性测试

在湿热试验中，配方A、配方C、配方D涂层在湿热试验后分别在600、648、648小时分别出现轻微的起泡现象。720小时后，配方B的涂层还无明显脱落或泡化现象，耐水性表现优异。说明配方B的耐水性显著优于其他三种配方。

2.4 盐雾试验

168小时的盐雾试验图片见图1所示，配方B展现出极佳的耐腐蚀性能，试板表面几乎无锈蚀产生。相比之下，配方A、C和配方D的试板在试验期间出现了不同程度的锈蚀现象，尤其是配方A，其锈蚀覆盖面积较大。

2.5 试验结论

试验结果显示，配方B在表干时间、耐湿热性，盐雾，附着力方面综合表现最佳。相比之下，配方A、配方C、配方D虽然在某些性能指标上表现不错，但在耐湿热性和附着力方面略逊一筹。

配方B之所以在各项性能测试中展现出优异的表现，主要得益于其独特的配方设计。首先，选用的水性环氧树脂和水性丙烯酸树脂的组合，润湿流动性较好，良好的润湿、流动、铺展，可以使漆膜与底材更为紧密的接触。树脂粒径较小，防止过大乳胶粒子形成的空间位阻效应，影响漆膜与底材的有效接触，成膜更加致密。本身又含有特殊的锚定基团，以及拥有偏低的内聚力。通过特殊基团的链接效应，水性树脂的组合与金属表面之间强烈的化学和物理吸附作用。这种吸附作用帮助涂层牢固地附着在基体上。此外，特选的防锈添加剂在涂层中发挥了至关重要的作用，显著增强了涂层对基体金属的保护效果，从而有效延长了材料的防锈周期。这种防锈添加剂与水性树脂的完美结合，共同构建了一道坚固的防护屏障。它们不仅通过物理隔离的方式，有效阻止了水分和腐蚀介质对金属基体的渗透，降低了金属生锈的可能性，而且还在金属表面形成了一层致密的保护层。这层保护层不仅具有极佳的附着力和耐久性，能够长期保持其防护效果，而且还具有出色的耐候性和耐化学腐蚀性，能够抵御各种恶劣环境的侵蚀。因此，特选防锈添加剂的加入，使得涂层在防锈性能上得到了极大的提升，为金属材料的长期保护提供了有力保障。

该高性能水性环保防锈成膜材料的形成还因为通过添加合适的润湿添加剂，降低了成膜材料的表面张力，当该成膜材料涂布于基材表面时，原有界面消失，形成新的界面。而涂布过程中，涂料对基材的有效润湿，保证了涂膜与基材形成有效的接触。

3 结语

此次研究成功研制了一种高性能水性环保防锈成膜材料，通过一系列实验室测试和工厂试用，验证了其在防锈性能、干燥速度、附着力、耐水性和环保性方面的显著优势。通过对不同配方的比较测试，确定了具有最佳的防锈效果和理化性能的组合。特别是配方B在干燥时间、附着力、耐水性及耐腐蚀性方面均达到了优异水平，满足了工业应用的高标准要求。通过广泛的实验室测试和玉柴公司生产线上的验证和应用，性能满足要求。作为一种水性材料，配方B大幅降低了VOC排放，符合当前环保法规和可持续发展的趋势。

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