朱應(yīng)莉

（西安交通工程學(xué)院 交通運輸學(xué)院 陜西 西安 710000）

在物體表面覆蓋一層涂料，能保護物體免受外界環(huán)境的侵蝕，同時還起到裝飾的作用[1-4]。金屬材料制備的物料運輸材料、石油化工設(shè)備以及橋梁等諸多常規(guī)設(shè)備，長期接觸外界環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)，使得設(shè)備局部或者大面積的發(fā)生化學(xué)作用，出現(xiàn)腐蝕或者破損的現(xiàn)象，降低了生產(chǎn)效率。針對金屬設(shè)施的腐蝕問題，我們經(jīng)常采用在表面涂防腐蝕涂層，通過設(shè)施和外界環(huán)境的隔離，達到預(yù)防腐蝕的目的。防腐蝕涂料不僅能通過提高設(shè)施的化學(xué)與電化學(xué)腐蝕能力，達到延長設(shè)施的使用壽命，還能減少設(shè)施對太陽輻射的吸收，從而提高其穩(wěn)定性。目前，市場上使用的水性涂料的制備配方復(fù)雜性高，為了提高其水性涂料的整體綜合性能添加了各種各樣的功能助劑[5,6]，文獻[7]選用丙烯酸作為基料樹脂，制備的一種新型的由底漆、中間漆和面漆組成的防腐蝕涂料，具有較高的熱反射率以及紅外反射率。周菁等采用超細云母作為腐蝕顏料，制備了新興的環(huán)氧防腐蝕涂料，數(shù)據(jù)顯示，該涂料具有較好的硬度、柔韌性以及耐沖擊性能[8]。文獻[9]中，在制備的防腐蝕涂料中分別通過添加磷酸鋅鈣和磷酸鋅鐵，研究了其防腐蝕的機理，結(jié)果表明，添加的磷酸鋅鈣的防腐蝕涂料，有阻隔效應(yīng)和電化學(xué)防銹兩重保護作用；添加磷酸鋅鐵制備的防腐蝕涂料，在耐高溫方面有很大的優(yōu)勢。本實驗采用有良好的物理性能的水性聚氨酯乳液，作為成膜樹脂，加入丙烯酸乳液作為防腐劑對材料進行改性，制備防腐蝕性的高環(huán)保性涂料材料，并采用單一變量的方法，對制備的涂料的性能進行了分析，討論了不同物料比、不同顏填料濃度以及防銹材料濃度對所制備涂料的性能影響，為今后的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

水性聚氨酯乳液、消泡劑、氣相SiO2、BaSO4，天津迪博化工有限公司；水性丙烯酸乳液（河北東洋化工產(chǎn)品有限公司）；防腐防霉劑（上海永大有限公司）；潤濕劑（嘉誠化工有限公司）；成膜助劑（天津華商化工集團）；耐鹽霧助劑（天津永大化學(xué)有限公司）；丙二醇（天津北辰試劑廠）；Zn3（PO4）2（海城東展公司）；鈦白粉、流平劑，廊坊鴻昊化工公司；防閃銹劑（東營一統(tǒng)化工集團）；滑石粉、增稠劑，上海阿拉丁股份有限公司；分散劑（柳州益嘉化工），所有材料均為分析純。

JSF-400攪拌砂磨分散多用機（上海生森化工有限公司）；Vector 33紅外光譜儀（德國Bruker公司）；JSM-6380掃瞄鏡（日本電子公司）；CHI660-E電化學(xué)工作站（杭州華辰儀器有限科技公司）；YS-025高低溫濕熱試驗箱（廣州維德儀器有限公司）；QS300C鹽霧箱（東莞中智檢測設(shè)備公司）；NDJ-1轉(zhuǎn)粘度計（上海安德儀器科技有限公司）；QHQ鉛筆劃痕硬度儀（天津科聯(lián)材料工廠）；E30光澤度計（科仕佳儀器研究所）。

1.2 實驗步驟

1.2.1 預(yù)混合液的制備 將成膜助劑、防凍劑以及耐鹽霧疏水劑放置于攪拌機中，在轉(zhuǎn)速為200～600r·min-1的條件下進行長達5～10min的攪拌，得到預(yù)混合液。

1.2.2 顏料漿的制備 將自來水、防腐防霉劑、pH調(diào)節(jié)劑、防沉劑、潤濕分散劑以及消泡劑放置于攪拌機中，在轉(zhuǎn)速為200～600r·min-1的條件下進行長達5～10min的攪拌；此時將攪拌機的轉(zhuǎn)速提高到800～1200r·min-1的條件下，依次向攪拌均勻的混合物中加入有機無機顏料、防銹顏料、體質(zhì)填料以及預(yù)混合液，隨后在高速的轉(zhuǎn)速條件下進行長達20～30min的分散操作，其轉(zhuǎn)速控制在1800～3000r·min-1，在混合物細度達到40μm以下，得到顏料漿。

1.2.3 防腐蝕材料的制備 將制備的顏料漿、水性聚氨酯乳液、丙烯酸乳液放置于攪拌機中，此過程在轉(zhuǎn)速為600～800r·min-1的攪拌下進行，隨后在800～1000r·min-1的轉(zhuǎn)速下進行長達10～20min的攪拌；再加入流平劑、增稠劑，攪拌均勻，并放置達30～60min進行熟化，即完成防腐蝕涂料的制備。

1.3 防腐蝕涂料的表征

1.3.1 電化學(xué)阻抗表征 本實驗的電化學(xué)測試在CHI660-E的電化學(xué)工作站的含有飽和甘汞電極的三電極體的電池中進行，其輔助的電極片為10cm2的鉑電極。在室溫的條件下，將涂層制備成1cm2的大小，并浸泡于5%的NaCl溶液中1h，開路電位的評估樣品達到平穩(wěn)的狀態(tài)后，即可進行電化學(xué)阻抗的測試。其測量的正弦波的振幅為5mV，105～10-2Hz的頻率范圍內(nèi)，并用ZView2軟件對記錄的阻抗數(shù)據(jù)進行擬合操作。

1.3.2 涂層鉛筆硬度表征 本實驗依據(jù)GB/T6379-2006標準對涂層的鉛筆硬度進行測試。其操作是選取一定尺寸的馬口鐵皮，并進行清潔以及干燥處理，將制備好的防腐蝕涂料均勻地涂到鐵皮表面，并在常溫條件下，進行長達7d的干燥，隨后用鉛筆劃痕硬度計對其進行硬度的測試。本實驗采用同一硬度的鉛筆下，對其涂層進行3次劃痕實驗，觀察實驗結(jié)果并記錄，涂層的鉛筆硬度采用涂層沒有出現(xiàn)3mm以上的劃痕的最大硬度的鉛筆值進行表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同物料比對涂料性能的影響

本實驗選取不同比例的水性聚氨酯乳液和水性丙烯酸樹脂，其比例分別設(shè)置為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5以及0∶10這7種物料比。測試結(jié)果見表1。

表1 不同物料比對制備的涂料性能的影響Tab.1 Effect of different proportion of materials on the properties of the prepared coatings

由表1可知，隨著材料水性丙烯酸樹脂的不斷加入，使得制備的防腐蝕涂料的光澤度不斷增加，但涂料的硬度卻呈下降的趨勢。當水性丙烯酸樹脂的含量在20%～30%情況下，制備的防腐蝕涂料的防腐蝕性能達到了最佳的狀態(tài)，選用水性聚氨酯乳液和水性丙烯酸樹脂的配比為8∶2，制備的材料的防腐蝕性能最佳。

2.2 顏填料濃度對涂料性能的影響

本實驗選取不同濃度的顏填料進行防腐蝕涂料的制備，分別為20%、25%、30%、35%、40%，其測試結(jié)果見表2。

表2 不同顏填料濃度對制備的涂料性能的影響Tab.2 Effect of different pigment filler concentration on the properties of prepared coatings

由表2可以看出，隨著加入的顏填料的比例不斷增加，制備的防腐蝕涂料的光澤度呈現(xiàn)下降的趨勢，耐水性和耐鹽性隨著添加比例的升高而出現(xiàn)先增強后減弱的趨勢，當添加比例為25%的時候，制備的防腐蝕涂料的防腐蝕性能達到最佳的狀態(tài)。

用不同體積濃度的顏填料涂層，分別制備成厚度一樣的涂層，并將制備材料浸入到質(zhì)量分數(shù)為5%的NaCl水溶液中，其浸泡時間為30d。待浸泡結(jié)束后，對其浸泡的涂層進行電化學(xué)阻抗的測試，其測試結(jié)果見圖1。

圖1 不同體積濃度的PVC涂層的電化學(xué)阻抗Fig.1 Electrochemical impedance curves of PVC coating with different volume concentrations

由圖1可以觀察到，不同體積濃度的涂層的電化學(xué)阻抗圖譜曲線呈現(xiàn)兩個時間常數(shù)、兩個容抗弧，分別在高頻段和低頻段出現(xiàn)，高頻段對應(yīng)的時間常數(shù)反應(yīng)了涂層的基本性質(zhì)，低頻段對應(yīng)的時間常數(shù)反應(yīng)了附著于涂層下的金屬腐蝕情況。通過曲線走勢可以得知，高頻段內(nèi)，PVC值不斷升高，其涂層的容抗弧直徑呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其值為25%時，容抗弧的直徑值達到最大，說明此時的涂層呈現(xiàn)最致密狀態(tài)，電解質(zhì)溶液到達保護金屬層的時間也最長，說明此狀態(tài)下的涂層防腐蝕性能最優(yōu)。

2.3 防銹材料含量對涂料性能的影響

本實驗選取不同質(zhì)量分數(shù)的防銹材料，進行防腐蝕涂料的制備，其質(zhì)量分數(shù)分別為10%、17%、25%、35%、45%，其測試結(jié)果見表3。

表3 不同防銹材料質(zhì)量分數(shù)對涂料性能的影響Tab.3 Influence of different anti-rust material mass fraction on coating performance

由表3可知，隨著防銹材料質(zhì)量分數(shù)的不斷增加，制備的防腐蝕材料的耐鹽霧性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。一般來說，防銹材料的加入量不斷增加，會使得制備的防腐蝕材料的性能提高，本實驗由于采用的是Zn3（PO4）2，其材料的顆粒較大、形狀呈磚型、分散性比較差，添加質(zhì)量分數(shù)較大時，會影響制備材料的致密性，導(dǎo)致其防腐蝕性能的降低[10]。因此，本實驗測得的是選用含量17% Zn3（PO4）2配制的材料，其性能達到最佳狀態(tài)。

3 結(jié)論

本實驗采用具有良好的物理性能的水性聚氨酯乳液作為成膜樹脂，加入丙烯酸乳液作為防腐劑對材料進行改性，制備具有防腐蝕性能的高環(huán)保涂料材料，采用單一變量的方法，對制備的涂料性能進行了分析，結(jié)果表明，選用水性聚氨酯乳液和水性丙烯酸樹脂的配比為8∶2、顏填料濃度為25%，以及防銹材料——Zn3（PO4）2濃度為17%時，制備的防腐蝕涂料的性能最佳，延長物流運輸材料的使用壽命，更好地保護了運輸物資，為今后的研究奠定了基礎(chǔ)。