于國玲，趙萬賽,王學(xué)克

(1.南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 南陽 473000；2.宣城市宣州區(qū)生態(tài)環(huán)境分局，安徽 宣城 242000；3.南陽市水性環(huán)保涂料工程技術(shù)研究中心，河南 南陽 473000；4.南陽臥龍漆業(yè)有限公司，河南 南陽 473000)

由型鋼和鋼板組成的鋼結(jié)構(gòu)是當(dāng)前重要的建筑結(jié)構(gòu)類型，具有施工簡便、自重輕、強度高、制造安裝機械化程度高、建筑工期短等優(yōu)點。在場館、廠房、高層建筑等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用[1-3]。鋼結(jié)構(gòu)拆除后基本無建筑垃圾產(chǎn)生，可重復(fù)利用，因此也是一種節(jié)能環(huán)保的建筑材料[4-5]。但耐腐蝕性差是其明顯的缺點，特別是在潮濕環(huán)境中更易銹蝕，嚴(yán)重的會出現(xiàn)機械強度下降，影響建筑安全性，因此需要定期刷涂防腐蝕涂料進行維護[6-7]。

目前，鋼結(jié)構(gòu)用防腐蝕涂料主要是油性涂料，由于VOC含量較高，對環(huán)境污染較大。隨著環(huán)保法規(guī)的實施和人們環(huán)保意識的增強，水性涂料作為綠色環(huán)保涂料品種在鋼結(jié)構(gòu)的涂裝上得到了一定的應(yīng)用[8-10]。本研究以水性丙烯酸改性醇酸樹脂和水性丙烯酸乳液為成膜物質(zhì)，選擇合適的助劑制備出一種快干水性鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料。研究了成膜物的選擇、助溶劑的種類及用量、水性丙烯酸改性醇酸樹脂及水性丙烯酸乳液的用量對涂料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 原料

水性丙烯酸改性醇酸樹脂：W-02，南陽臥龍漆業(yè)有限公司；水性丙烯酸乳液：812A，廣州榮東化工有限公司；金紅石型鈦白粉：R-566，天津麥斯特科技有限公司；消泡劑：德國畢克公司；三乙胺：南京潤升石化有限公司；乙二醇丁醚(EM)：濟南萊德化工有限公司；丙二醇甲醚(PM)：濟南銘信化工有限公司；正丁醇(NBA)、異丙醇(IPA)：天津市博邁商貿(mào)有限公司；分散劑：南通市晗泰化工有限公司；BGS酞青藍(lán)：廣州元成顏料化工有限公司；水性催干劑：佛山市高明同德化工有限公司；色素炭黑：天津億博瑞化工有限公司；去離子水：自制。

1.2 儀器及設(shè)備

60°光澤儀：西瓦卡精密量儀(東莞)有限公司；F-550型攪拌砂磨分散多用機：秦皇島鵬翼化工機械有限公司；QCJ-50型沖擊試驗機：西安博匯儀器儀表有限公司；電動鉛筆硬試驗機：東莞市富瑞達(dá)儀器科技有限公司；QXD-50型刮板細(xì)度計：上海錦錨工業(yè)科技有限公司；QTY-10A型漆膜圓柱彎曲試驗器：河北中科路儀試驗儀器有限公司。

1.3 快干水性鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料的制備

在攪拌罐中依次加入準(zhǔn)確計量的自制水性丙烯酸改性醇酸樹脂W-02和三乙胺，攪拌均勻后再加入分散劑、去離子水、加入原料中，攪拌加入貝母粉、金紅石鈦白、中鉻黃、酞青藍(lán)、炭黑、沉淀硫酸鋇、和丙二醇甲醚，以高速分散20 min后，上機研磨至細(xì)度20 μm以下放出，加入水性催干劑、812A，加入原料中分散均勻后，攪拌加入增稠劑，加入原料中分散20 min后過濾即得快干水性鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料。快干水性鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料的基礎(chǔ)配方見表1。

表1 快干水性鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料的基礎(chǔ)配方

1.4 性能測試

將制得的快干水性鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料加水調(diào)整黏度至30～40 s(涂四杯,25 ℃)左右，噴涂在冷軋鋼板(尺寸為100 mm×50 mm×0.5 mm，打磨至Sa1級，無需磷化和脫脂)上，按照GB/T 1727—1992《涂膜一般制備法》制備涂膜，濕膜膜厚為(20±3)μm，在室溫(25 ℃)下干燥后養(yǎng)護7 d。

分別按照GB/T 9754—1988《色漆和清漆不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》、GB/T 6742—2007《色漆和清漆彎曲試驗(圓柱軸)》、GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測定》、GB/T 6739—2006《色漆和清漆 鉛筆法測定漆膜硬度》、GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測定法》、GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》和GB/T 1733—1993《漆膜耐水性測定法》測試60°光澤、柔韌性、耐中性鹽霧、硬度、耐沖擊性、漆膜的附著力和耐水性。

2 結(jié)果與討論

2.1 成膜物的選擇

成膜物質(zhì)對涂料的性能起著決定性作用，水性鋼結(jié)構(gòu)涂料屬于一般防腐性能要求的涂料品種。如無特殊要求，可選的成膜物類型有：水性醇酸樹脂、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樹脂、水性丙烯酸改性醇酸樹脂/水性丙烯酸乳液等。實驗以不同類型樹脂為成膜物，按相同的顏基比(混拼使用時兩種樹脂的質(zhì)量比為1∶1)配制出一系列涂料，測試性能如表2所示。

表2 不同類型涂料的性能

由表2可以看出，水性醇酸樹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較好，但耐水性一般，而且易閃銹。水性丙烯酸改性醇酸樹脂涂料的耐水性較好，不易閃銹，但實干時間較長。水性醇酸樹脂/水性丙烯酸乳液涂料的表干時間可以，但實干與耐水性能欠佳。水性丙烯酸改性醇酸樹脂/水性丙烯酸乳液涂料的綜合性能最優(yōu)，耐水性可滿足鋼結(jié)構(gòu)防腐要求，而且干燥性能符合工業(yè)化快速涂裝要求。因此本實驗選用水性丙烯酸改性醇酸樹脂/水性丙烯酸乳液為快干水性鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料的成膜物質(zhì)。

2.2 樹脂的中和及助劑的選用

水性丙烯酸改性醇酸樹脂的中和是整個制備過程的關(guān)鍵步驟。為了避免中和稀釋后在儲存過程中水解變質(zhì)和減少運輸費用，水性丙烯酸改性醇酸樹脂通常未中和或者部分中和，固體組分的分?jǐn)?shù)在70%左右。使用前需要先加入三乙胺中和變成易溶于水的銨鹽，再加水稀釋至合適的黏度。如果直接把水、三乙胺和各種助劑一起加入水性丙烯酸改性醇酸樹脂中，會出現(xiàn)不易分散、攪拌爬桿，甚至不溶解等現(xiàn)象影響使用。

催干劑應(yīng)選用不影響乳液穩(wěn)定性的水性催干劑，用量為樹脂固體物質(zhì)的分?jǐn)?shù)的4%左右。消泡劑可分兩次加入，一部分參與研磨，另一部分在配漆時加入，破泡與抑泡相結(jié)合，在成本允許的條件下，盡量使用聚醚改性有機硅類消泡劑以減少涂膜缺陷[11]。增稠劑可選用聚丙烯酸酯類和締合型聚氨酯類，纖維素類增稠效果好但流平性欠佳，還影響涂膜的耐水性不宜使用[12]。成膜助劑能促進乳液的塑性流動和乳膠粒子的彈性變形，幫助成膜。常用的有醇酯類和醇醚類，前述的助溶劑丙二醇甲醚(PM)屬于醇醚類，可作為成膜助劑，因此十二碳醇酯的用量可以適當(dāng)減少或不用，在不影響成膜的前提下，盡量少用以減少VOC的排放。在鋼結(jié)構(gòu)上使用水性丙烯酸乳液基涂料，必須考慮涂料的防閃銹性，亞硝酸鹽類防閃銹劑涂膜的耐水性影響較大，可選用炔醇基水性防閃銹劑[13-14]。

2.3 不同助溶劑對涂料性能的影響

水與有機大分子樹脂的相容性較差，因此在制備水性涂料時通常需要加入一定量的助溶劑，既能溶解有機樹脂，又能溶于水。適宜的助溶劑可有效促進有機樹脂在水中的分散，增加潤濕性，改善流平性[15-16]。常用的助溶劑有EM、PM、NBA、IPA等，以水性丙烯酸改性醇酸樹脂W-02和水性丙烯酸乳液812A為成膜物質(zhì)，m(W-02)∶m(812A)=180∶300，固定實驗條件與其余物料的量(助溶劑的添加量為涂料總質(zhì)量的5%)，不同助溶劑對涂料性能的影響見表3。

表3 不同助溶劑對涂料性能的影響

由表3可以看出，以NBA、IPA為助溶劑，由于對有機樹脂的溶解能力有限，揮發(fā)速度慢，造成涂料的表干時間延長、光澤度和儲存穩(wěn)定性較差；以EM、PM為助溶劑，涂料表干時間短、光澤高、溶解性與儲存穩(wěn)定性好。但乙二醇丁醚對人體有較大危害，不宜使用，因此下面實驗以丙二醇甲醚作為體系的助溶劑。

2.4 助溶劑的用量對涂料性能的影響

固定實驗條件與其余物料的量，助溶劑的用量對涂料性能的影響見表4。

表4 助溶劑的用量對涂料性能的影響

由表4可以看出，隨著助溶劑用量的增加，涂膜的光澤度逐漸提高。助溶劑的用量占涂料總質(zhì)量的5%以下，涂膜的耐水性和硬度隨著助溶劑用量的增加逐漸提高；超過5%時隨著助溶劑用量的增加，涂膜的耐水性和硬度反而有所下降。這是因為適宜的助溶劑用量可以提高樹脂在水中的分散性能，促進形成均一致密的涂膜，過量的助溶劑會延長涂料的干燥時間，殘存的助溶劑會使涂膜發(fā)軟，含有親水基團的助溶劑使涂膜的耐水性有所下降，適宜的用量為涂料總質(zhì)量的5%。

2.5 樹脂及乳液用量的影響

水性丙烯酸改性醇酸樹脂是醇酸樹脂與丙烯酸單體聚合，以甲基丙烯酸為酸性單體，在結(jié)構(gòu)上引入羧基得到的，比水性丙烯酸乳液的成本高很多。因此配方設(shè)計的思路是在性能滿足要求的前提下少用水性丙烯酸改性醇酸樹脂。固定實驗條件與其余物料的用量，改變水性丙烯酸改性醇酸樹脂與水性丙烯酸乳液的用量，樹脂及乳液用量對涂料性能的影響見表5。

表5 樹脂及乳液用量對涂料性能的影響

由表6可以看出，樹脂及乳液用量對涂料的光澤度、抗沖擊、柔韌性、耐水性和干燥性能都有較大的影響。隨著水性丙烯酸改性醇酸樹脂用量的減少，涂膜的干燥時間逐漸縮短，但抗沖擊、柔韌性、光澤度和耐水性都有所下降。干燥性能提高是因為雙鍵數(shù)量增多所致；由于水性丙烯酸乳液是乳化得到的混合物，而且粒徑較大，所以隨著乳液用量的增加，涂膜的光澤有所下降；水性丙烯酸改性醇酸樹脂長的碳鏈賦予了涂膜優(yōu)異的柔韌性和抗沖擊性能，隨著水性丙烯酸改性醇酸樹脂用量的減少，涂膜的柔韌性和抗沖擊性能也隨之下降[17-18]。另外，丙烯酸乳液中的乳化劑具有很強的親水性，當(dāng)丙烯酸乳液的比例較多時，涂膜的耐水性較差[19-20]。當(dāng)m(W-02)∶m(812A)=3∶5時，涂膜的綜合性能滿足要求，而且成本最低。

2.6 性能測試

配方優(yōu)化后涂膜的性能見表7。

表7 快干水性鋼構(gòu)涂料的性能指標(biāo)

由表7可以看出，所制備涂料的干燥性能好，防腐性能滿足鋼結(jié)構(gòu)的涂裝要求。

3 結(jié) 論

(1)以水性丙烯酸改性醇酸樹脂W-02和水性丙烯酸乳液812A為成膜物質(zhì)，選擇合適的助劑制備出一種快干水性鋼構(gòu)涂料。

(2)以丙二醇甲醚作為體系的助溶劑，用量為涂料總質(zhì)量的5%。

(3)m(W-02)∶m(812A)=3∶5時，所制備涂料的滿足鋼結(jié)構(gòu)的涂裝要求。