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水性快干防腐漆的研制
陈焕铭，陈 萍，吴 勇，胡 娟 （ 浙江传化涂料有限公司，浙江杭州 311231）
0 引言
目前，国外水性树脂的研究技术较为成熟，产品性能也较为稳定，并趋于多功能化、高性能化。但是，国内水性树脂的研发起步较晚，目前产业化的水性树脂较少，一般工业漆用树脂皆以油性树脂为主，国内少数几家企业生产的水性聚酯树脂、醇酸树脂、羟基树脂等皆存在产品性能不稳定、综合性能有缺陷、价格较高的问题，这些问题一直以来成为制约国内水性涂料发展的主要原因。现有的水性防腐漆VOC（挥发性有机化合物）含量偏高，而且干燥速度较慢，一般表干时间需要4 h，实干时间至少需要24 h，更有一些水性涂料产品需要48 h 后才能完全干燥。在工业化生产的今天，有些厂家只能依靠加热进行烘干，这样不仅浪费时间，而且浪费能源。
鉴于上述原因，研究和开发水性快干防腐漆具有特殊的意义。可用水稀释，涂膜具有干燥速度快、耐水性、耐盐雾性好的防腐涂料，既能减少环境污染，又能提升产品的档次，提高企业的综合竞争力。
1 实验部分
1.1 主要原材料
水性丙烯酸乳液、去离子水、防锈颜料、防闪锈剂、分散剂、消泡剂1、消泡剂2、成膜助剂、润湿剂、防腐防霉剂、增稠剂1、增稠剂2、丙二醇、pH 调节剂、水性膨润土、500 目云母氧化铁、改性磷酸锌、三聚磷酸铝、硅灰石粉、722 铁黑、炭黑、防锈颜料。
1.2 水性快干防腐漆制备配方
水性快干防腐漆制备配方见表1。
水性快干防腐漆配方
制备工艺：将一定量的去离子水加入至分散缸中，加入润湿剂、分散剂、pH 调节剂、4% 水性膨润土、消泡剂1 和丙二醇，中速搅拌均匀，边搅拌边加入炭黑、722 铁黑、磷酸锌、三聚磷酸铝、防锈颜料、云母氧化铁和硅灰石粉，分散均匀。然后砂磨至细度小于30 μm，转入调漆缸，边搅拌边加入防腐防霉剂、成膜助剂和防闪锈剂。边搅拌边缓慢加入一定量的乳液、消泡剂2 和水，用pH 调节剂调节漆的酸碱度，搅拌至均匀，再用增稠剂1 和增稠剂2 调整到合适的黏度，检验性能合格后，过滤，包装。
1.3 水性快干防腐漆性能检测
水性快干防腐漆性能检测结果见表2。
水性快干防腐漆性能检测结果
2 结果与讨论
2.1 水性成膜物质的选择
由于水性环氧乳液价格较高，并且采取双组分施工有一定施工适用期，且含有较多的助溶剂，VOC含量依旧偏高，故选择综合性能较好的单组分水性丙烯酸防锈乳液作为成膜物质。在水性丙烯酸乳液中，与干燥性有关的因素主要有玻璃化温度、相对分子质量和粒径大小等，下面将逐一分析它们是如何影响丙烯酸树脂乳液的干燥速度的。
（1） 树脂的玻璃化温度
玻璃化温度与聚合物的相对分子质量、交联密度有一定的关系，因此直接影响涂膜的干燥速度、硬度、柔韧性，以及涂料的黏度和贮存寿命。一般而言，树脂的Tg（玻璃化温度）越高，涂膜的干燥速度越快、硬度越高，但过高的Tg 会使有些粒子来不及反应就失去流动性，降低涂膜交联密度，影响涂膜光泽、耐水性和耐化学品性，同时树脂的玻璃化温度过高，将导致树脂黏度增大、涂料的适用期缩短。
（2） 树脂的相对分子质量及其分布
随着树脂的相对分子质量增加，涂膜的干燥速度加快，但涂膜硬度下降。因为相对分子质量小的分子链交联成大分子所需的时间，较相对分子质量大的分子链更长，导致涂膜干燥时间延长。高相对分子质量的丙烯酸树脂水分散体所需的羟基含量较低，而相对分子质量分布宽，使得单个小分子链上可能仅含一个甚至不含羟基，干燥后这些低分子链混杂在涂膜中起增塑剂的作用，导致涂膜硬度降低。
（3） 粒径
一般而言，粒径越小，分散体越稳定。粒径较小时，在同样固含量下，颗粒之间的间距就越小，干燥速度就越快，而且粒径小，粒子的比表面积增大，不仅使固化剂分散进入粒子内部的路程缩短，而且在成膜时有利于组分间的相互扩散，提高交联度的同时缩短了涂膜的干燥时间。
选择不同型号的水性丙烯酸防锈乳液，配以相同用量的钛白粉和磷酸锌作为颜填料进行实验，测试水性防锈丙烯酸乳液对漆膜耐盐雾性能的影响，结果见图1。
水性防锈丙烯酸乳液对漆膜耐盐雾性的影响
图1 中的漆膜厚度均在100~120 μm，室温干燥7 d 后放入盐雾箱中，30 d 后取出样板。由图1 可见：国产的8508、719F 两款防锈丙烯酸乳液制成的样板锈蚀比较严重，而采用欧宝迪的2403 防锈丙烯酸乳液制成的样板除划线处锈蚀外，其他位置并无变化。故选择水性丙烯酸乳液2403 为本研究的成膜树脂。
2.2 润湿剂的影响
涂料对基材的润湿程度直接影响到漆膜在基材上的附着性能。基材润湿剂用量对水性自干防腐漆漆膜附着力的影响见图2。
基材润湿剂用量对漆膜附着力的影响
由图2 可见：随着基材润湿剂用量的提高，涂膜剥落率不断减小，即漆膜附着力逐渐增强。当基材润湿剂的质量分数增大到0.7% 时，继续提高基材润湿剂的用量，对改善漆膜附着力的作用不大，反而影响漆膜的其他性能，如流平性、耐水性等。由此可见：在水性漆中添加一定剂量的基材润湿剂，有助于漆膜附着力的提高。
2.3 防锈颜料的选择
确定水性丙烯酸乳液作为成膜物质以后，防锈颜料及填料的选择至关重要。经过长时间的实验分析，本研究选择了无毒、环保的改性三聚磷酸铝与具有高效防锈性能的正磷酸锌水合物为防锈颜料，并添加少量一种有机缓蚀剂5- 硝基间苯二酸酯锌，提高防锈能力。有文献指出：磷酸锌能生成碱式络合物，增强涂膜的耐水性和附着力，也能与Fe2+ 形成牢固的配位络合物沉淀层，从而抑制铁锈的形成和发展。
三聚磷酸铝的主要成分为，它的防锈基团是，是一种新型无害高效的防锈颜料，其解离出的三聚磷酸根离子可以与金属阳离子交叉螯合，具有极强的捕捉金属离子能力，能有效地封闭金属离子形成无机高分子错合体，钝化金属表面，起到化学防锈的效果。然后它再慢慢分解为致密的正磷酸皮膜，避免水分、氧气等与金属表面接触，起到隔绝防锈的效果，因而它具有化学防蚀和隔绝防锈的双重效果。金属表面防锈原理如下：
2.4 防沉剂的选择
水性涂料的流变性能主要考虑其施工性能和贮存性能。钢箱梁内表面的涂装对施工要求较高，一般为2 道施工，每道干膜厚度需达到100 μm 以上。使用水性膨润土可以提供低剪切黏度，使得漆膜在流平过程中有很好的触变性，不易流挂，漆膜可达到较高的一次性干膜厚度。缔合型聚氨酯流变助剂可使涂料获得类似牛顿流体的流变性能，并赋予漆膜很好的光泽、丰满度和耐水性，故而受到青睐。
2.5 涂膜耐水性改进
水性涂料由于其特殊的结构，其耐水性较差，添加云母氧化铁可提高漆膜耐水性。云母氧化铁是一种物理性防锈颜料，其主要成分是三氧化二铁。由于这种氧化铁具有类似云母的片状结构，所以称为云母氧化铁。片状的云母氧化铁粒子交叉地分布在涂膜中，使涂膜的机械强度增加。基料树脂与云母氧化铁粒子能形成封闭性很好的致密涂层，对水汽的渗透有良好的抵御作用。同时这种致密的防腐涂层还能有效防止紫外线对漆膜的降解。
2.6 产品特点
（1） 水性快干防腐漆能够直接用水稀释，而且VOC 含量只有4 g/L，有效减少VOC 对环境的影响。
（2） 产品干燥速度快，常温下0.5 h 即可表干，解决普通水性防腐漆干燥速度慢的问题，可有效提高生产效率。
（3） 产品选用三聚磷酸铝、改性磷酸锌和有机缓蚀剂作为防锈颜料，能有效提高耐盐雾效果。
（4） 水性快干防腐漆具有良好的贮存稳定性。
3 结语
对水性快干防腐漆的原材料进行了深度筛选，合理搭配，通过选用特殊的水性丙烯酸乳液作为成膜物质，使用三聚磷酸铝、改性磷酸锌及有机缓蚀剂作为防锈颜料，加入消泡剂、流平剂、防腐防霉剂和增稠剂等功能性助剂制得水性快干防腐漆，产品具有卓越的耐水性、耐化学品性、耐磨性和良好的贮存稳定性，可直接加水涂装，具有明显的节能优势和突出的社会效益。
