李小萍，李靜*，高穩(wěn)成，劉慧

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250101）

水性環(huán)氧防腐涂料的研制

李小萍，李靜*，高穩(wěn)成，劉慧

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南 250101）

通過正交試驗探索了水性環(huán)氧乳液、消泡劑、分散劑和鐵鈦粉用量以及水性環(huán)氧乳液與固化劑質(zhì)量比對水性環(huán)氧涂料防腐性能的影響，確定了最優(yōu)配方為：水性環(huán)氧乳液 39%，消泡劑2.8‰，分散劑4%，鐵鈦粉15%，環(huán)氧乳液與固化劑質(zhì)量比 2.08。在最優(yōu)配方下制備的水性環(huán)氧防腐涂料涂膜的附著力為1級，沖擊強度50 kg·cm，柔韌性1 mm，在堿溶液中浸泡8 d以及在鹽溶液中浸泡22 d無異常，綜合性能最好，基本性能符合相應(yīng)的國家標準。

防腐涂料；水性環(huán)氧乳液；消泡劑；鐵鈦粉；分散劑；耐蝕性

每年全球因為腐蝕造成的能源及 GNP(國民生產(chǎn)總值)損失量分別為 20%和 4.2%，而在美國腐蝕造成的經(jīng)濟損失達到了每年1 000多億美元[1]。因此，腐蝕防護成為研究的熱點，而使用涂料形成保護層避免材料腐蝕是最常用的方式。水性涂料相對于溶劑型涂料其有機揮發(fā)性氣體少，具有來源方便、無毒性、不燃性良好等特點，已成為未來的主要發(fā)展方向之一[2]。環(huán)氧樹脂由于含環(huán)氧基等特殊結(jié)構(gòu)，其附著力強、耐腐蝕性能好，因此，被廣泛用于制備水性防腐涂料。水性環(huán)氧防腐涂料中環(huán)氧樹脂的乳化、環(huán)氧樹脂或乳液與固化劑的配比及其相容性直接影響到涂料的防腐性能[3-4]，由于防腐涂層的防腐性能主要通過顏填料對腐蝕介質(zhì)的物理屏蔽以及對漆膜的電阻效應(yīng)來實現(xiàn)[3,5-10]，因此，選擇好的顏填料及適當(dāng)?shù)挠昧繉Ω纳仆苛系姆栏阅芤饬x重大。本文通過正交試驗探索了水性環(huán)氧乳液、分散劑、鐵鈦粉等的用量以及環(huán)氧樹脂和固化劑的配比對涂料防腐性能的影響，確定了最佳組成，并測試了涂膜的物理機械性能。

1 實驗

1.1 材料及設(shè)備

(1)材料：水性環(huán)氧乳液 AB-20，浙江安邦新材料有限公司；水性環(huán)氧固化劑BH-521，東莞市黑馬化工有限公司；潤濕劑、分散劑和增稠劑，海森特化工；流平劑和消泡劑，工業(yè)級，市購；鐵鈦粉，安徽奧邦新材料有限公司；鈦白粉，濟南裕興化工有限公司；沉淀硫酸鋇，河南南陽市磊寶海泡石廠；云母粉和磷酸鋅，北京市京同樂泰化工產(chǎn)品有限公司；氫氧化鈉、氯化鈉，天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；蒸餾水，自制。

(2)儀器：SF0.4型高速砂磨分散攪拌機、DJ1C增力攪拌器、QFD型電動漆膜附著力試驗儀、QCJ型漆膜沖擊器、QTX漆膜彈性測定器和涂-4黏度計，天津市精科材料試驗機廠；QXP-50S-100細度計，天津市森日達試驗設(shè)備有限公司；YP20002電子天平，海光正醫(yī)療儀器有限公司。

1.2 涂料試樣的制備

采取正交試驗進行實驗，選取AB- 20水性環(huán)氧乳液的用量(g，因素 A)、消泡劑的質(zhì)量分數(shù)(‰，因素B)、分散劑的質(zhì)量分數(shù)(%，因素C)、鐵鈦粉用量(g，因素D)、水性環(huán)氧乳液與BH-521固化劑的質(zhì)量比(因素E)等5個影響因素，設(shè)計4水平，選用L16(45)正交表進行實驗，以耐鹽水性及耐堿溶液性能為指標確定基礎(chǔ)配方。正交試驗因素水平見表1。

表1 正交試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

將分散劑、潤濕劑、消泡劑溶于一定量水以200 r/min低速攪拌5～10 min，依次加入鈦白粉、沉淀硫酸鋇等顏填料，進行良好的分散后再加入水性環(huán)氧乳液，提高攪拌速度至500 r/min，攪拌20 min后，轉(zhuǎn)移至砂磨機上以1 200 r/min轉(zhuǎn)速砂磨30 min，過濾后調(diào)節(jié)黏度大于80 s，得到A組分。

以水性環(huán)氧固化劑BH-521為B組分，根據(jù)試驗要求，往A組分中加入適量的B組分配制成雙組分涂料，在馬口鐵基材上刷涂，室溫下干燥，2 d養(yǎng)護期后進行附著力、柔韌性、耐沖擊性能測試，其他測試項目在試板進行7 d養(yǎng)護期后進行。

1.3 性能測試

涂料黏度按照GB/T 1723-1993《涂料粘度測定法》測試，細度按照GB/T 1724-1979(1989)《涂料細度測定法》測試；表干時間、實干時間按照GB/T 1728-1989《漆膜、膩子膜干燥時間測定法》測試；漆膜附著力按照GB/T 1720-1979(1989)《漆膜附著力測定法》測試，柔韌性按照GB/T 1731-1993《漆膜柔韌性測定法》測試，沖擊強度按照GB/T 1732-1993《漆膜耐沖擊測定法》測試，耐鹽水性(3% NaCl)按照GB/T 10834-1989《船舶漆耐鹽水性的測定 鹽水和熱鹽水浸泡法》測試，耐堿性(10% NaOH)參考 GB/T 9274-1988《色漆和清漆 耐液體介質(zhì)的測定》測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗結(jié)果及分析

正交試驗結(jié)果和極差分析見表2。

表2 正交試驗結(jié)果和極差分析Table 2 Orthogonal test results and range analysis

2.2 消泡劑用量對涂層防腐性能的影響

固定水性環(huán)氧乳液質(zhì)量為207.6 g、分散劑4%、鐵鈦粉77 g和乳液與固化劑質(zhì)量比為2.08，改變消泡劑的用量進行單因素實驗，考察了消泡劑的質(zhì)量分數(shù)對涂料耐堿性及耐鹽水性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 消泡劑用量對涂層防腐性能的影響Figure 1 Effect of the dosage of deforming agent on corrosion protection of the coating

從圖 1可以看出，隨著消泡劑含量的增加，涂料的耐蝕性能先升高后降低。當(dāng)消泡劑的質(zhì)量分數(shù)提高到一定程度時，消泡效果幾乎沒有任何的改善，涂層仍能見不少的針孔。對于防腐涂層而言，涂層表面的針孔對其防腐性能有很大的影響，特別是對于水性涂料而言，水等介質(zhì)會通過孔洞滲透到基材從而對基材造成影響，降低防腐性能，所以減少涂層針孔的出現(xiàn)對于防腐有著良好的指導(dǎo)作用。因此，選取消泡劑的最優(yōu)用量為2.8‰。

2.3 水性環(huán)氧乳液用量對涂層防腐性能的影響

固定消泡劑用量為2.8‰、分散劑4%、鐵鈦粉77 g、乳液與固化劑的質(zhì)量比為 2.08，探討了水性環(huán)氧乳液的用量對涂層耐鹽水及耐堿性能的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 環(huán)氧乳液用量對涂層防腐性能的影響Figure 2 Effect of the dosage of epoxy emulsion on corrosion protection of the coating

由圖 2可知，在本體系中，當(dāng)水性環(huán)氧乳液的用量為207.6 g時，涂料的防腐性能最好，隨著水性環(huán)氧乳液的增加，其防腐性能緩慢下降。主要原因是水性環(huán)氧乳液作為一種絕緣性的高分子有機化合物，能與基材形成很強的附著力，使得涂層對腐蝕介質(zhì)有很強的隔離作用，延緩了基材的腐蝕速率，但當(dāng)其用量達到一定程度時，其作用變得相當(dāng)緩慢。當(dāng)防腐顏填料用量一定時，隨著乳液的增加，起著防腐屏蔽功能的顏填料所占的質(zhì)量分數(shù)減少，顏填料顆粒完全被乳液所包裹，影響了防腐顏料成膜的連續(xù)性，從而導(dǎo)致涂料的防腐能力在一定程度上變差。因此，環(huán)氧乳液的最優(yōu)用量為207.6 g，其質(zhì)量分數(shù)為39%。

2.4 水性環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比對涂層防腐性能的影響

固定消泡劑用量為2.8‰、分散劑4%、鐵鈦粉77 g、水性環(huán)氧乳液207.6 g，改變水性環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比，探討水性環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比對涂層耐鹽水及耐堿性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比對涂層防腐性能的影響Figure 3 Effect of the mass ratio of epoxy emulsion to curing agent on corrosion protection of the coating

由圖 3可知，隨著水性環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比的增加，涂層的耐堿性和耐鹽水性先緩慢增加，然后逐漸下降，當(dāng)水性環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比為2.08時，涂層的耐蝕性能最好。

作為雙組分涂料，要改善涂膜的某些性能，可以使環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比在一定范圍內(nèi)變化。如使環(huán)氧組分稍過量，則涂膜的耐水、耐堿性及耐鹽霧性等將有很大的改善，這主要與環(huán)氧組分的親油性和固化劑的親水性有關(guān)，而環(huán)氧組分的提高，有利于整個體系親油性的提高。固化劑的用量稍過量，則有利于提高固化速度和體系的交聯(lián)密度，從而提高涂層的附著力及耐溶劑性等性能。當(dāng)水性環(huán)氧乳液與固化劑的比值小于 2.08，隨著比值的增加，整個體系親油性提高，耐腐蝕性能提高。但隨著環(huán)氧組分用量的繼續(xù)增加，固化劑用量相應(yīng)減少，在某種程度上體系的固化速度及交聯(lián)密度稍低，進而降低了涂層的附著力及耐溶劑性，所以隨著比值的增加，涂層的防腐性能降低。綜上，乳液與固化劑用量的比值應(yīng)選擇2.08較為適宜。

2.5 鐵鈦粉用量對涂層防腐性能的影響

固定優(yōu)化配方中其他因素不變，單獨改變鐵鈦粉的用量進行單因素實驗，結(jié)果如圖4所示。可以看出，在鐵鈦粉用量少于77 g時，隨著其用量的增加，其防腐性能緩慢增加，當(dāng)其用量在82～87 g之間時，涂層的防腐效果改善不大。這主要是因為鐵鈦粉能牢固吸附在鋼鐵表面，形成覆蓋膜，從而有效阻隔有害物質(zhì)的侵蝕。但實驗中鐵鈦粉的用量變化不大，故在一定程度上它們在鋼鐵表面形成覆蓋膜的致密化程度相當(dāng)，因此，其防腐效果仍處在在同一級別上，防腐性能變化不大。在本體系中，考慮到達到相同性能用量最少、性能最好的原則，選取鐵鈦粉用量為77 g，即質(zhì)量分數(shù)為15%為好。

圖4 鐵鈦粉用量對涂層防腐性能的影響Figure 4 Effect of the dosage of iron-titanium powder on corrosion protection of the coating

2.6 分散劑用量對涂層防腐性能的影響

確定水性環(huán)氧乳液用量為207.6 g、消泡劑2.8‰、鐵鈦粉77 g、環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比為2.08，改變分散劑的質(zhì)量分數(shù)進行單因素實驗。試驗后發(fā)現(xiàn)，分散劑用量的變化對于耐堿性及耐鹽水性能的影響不是很大。當(dāng)分散劑含量為4%時，涂料的浮色、發(fā)花現(xiàn)象沒其他含量時嚴重，且貯存穩(wěn)定性也稍好于其他含量。這主要是因為加入涂料中的顏填料存在著密度、粒徑、運動速度的不同，從而導(dǎo)致體系的不穩(wěn)定，使顏料產(chǎn)生浮色或絮凝。加入分散劑后，可使得顏料粒子在一定程度上得到良好的分散，降低了體系的不穩(wěn)定性。但并不是分散劑加入越多越好，因為顏填料的表面有一定的飽和吸附，加多了既浪費成本，也改善不了效果，故選取分散劑用量為4%。

2.7 涂層基本性能測試結(jié)果

選取水性環(huán)氧乳液質(zhì)量為 207.6 g(質(zhì)量分數(shù)39%)、消泡劑質(zhì)量分數(shù)為 2.8‰、分散劑質(zhì)量分數(shù)為4%、鐵鈦粉用量為77 g(質(zhì)量分數(shù)15%)、環(huán)氧乳液與固化劑質(zhì)量比為 2.08，對所制備的水性環(huán)氧防腐涂料涂層進行基本性能測試，其結(jié)果(見表3)基本達到了相關(guān)國家標準的要求。

3 結(jié)語

通過正交試驗，探索了消泡劑、水性環(huán)氧乳液、分散劑和鐵鈦粉用量以及環(huán)氧乳液與固化劑質(zhì)量比對水性環(huán)氧涂料防腐性能的影響，獲得了最佳用量：消泡劑 2.8‰，水性環(huán)氧乳液207.6 g(質(zhì)量分數(shù)39%)，水性環(huán)氧乳液與固化劑的質(zhì)量比2.08，鐵鈦粉77 g(質(zhì)量分數(shù)15%)時，分散劑4%。在此條件下制備的水性環(huán)氧防腐涂料貯存穩(wěn)定性較好，涂膜的附著力為1級，沖擊強度50 kg·cm，柔韌性1 mm，在堿溶液中浸泡8 d和在鹽溶液中浸泡22 d均無異常，其綜合性能最好，符合相應(yīng)的國家標準。

表3 水性環(huán)氧防腐涂料涂膜性能測試結(jié)果Table 3 Performance test results of the water-based epoxy corrosion-protective coating film

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Development of waterborne anticorrosive epoxy coating

LI Xiao-ping, LI Jing*, GAO Wen-cheng, LIU Hui

The effects of the dosages of water-based epoxy emulsion, defoamer, dispersant, and iron-titanium powder,and mass ratio of water-based epoxy emulsion to curing agent on corrosion protection property of water-based epoxy coating were studied by orthogonal test.The optimal formulation was determined as follows: waterborne epoxy emulsion 39wt%, defoamer 2.8wt‰, dispersant 4 wt %, iron-titanium powder 15wt%, and mass ratio of water-based epoxy emulsion to curing agent 2.08.The water-based epoxy emulsion coating film prepared under the optimal conditions features a 1-grade adhesion, impact strength of 50 kg·cm, and flexibility of 1 mm, and shows no abnormality after immersion in alkaline solution for 8 d or in salt solution for 22 d, having the best comprehensive performance and basically reaching the relevant national standards.

anticorrosive coating; waterborne epoxy emulsion; defoamer; iron-titanium powder; dispersant;corrosion resistance

School of Materials Science and Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101,China

TU561.67

A

1004-227X (2013)12-0064-04

2013-07-15

2013-08-13

李小萍（1987-），女，湖北武漢人，在讀碩士研究生，主要從事新型建筑材料研究。

李靜，副教授，(E-mail)lijing-ck@163.com。

韋鳳仙]