帶銹涂裝納米復合環氧涂料的性能研究

張 博

（浙江大學舟山海洋研究中心，浙江 舟山 316021）

舟山是我國第一個以群島建制的地級市，是我國重要的現代海洋產業基地。而作為沿海城市，船舶行業自然而然是舟山的支柱產業，也是舟山的海洋特色產業，舟山船舶工業產值規模超過全市總量的1/3，事關舟山經濟發展大局[1]。而船舶的維修服務由于其特有的可持續性，在整個船舶工業中又占據舉足輕重的地位。船體的絕大部分破壞都直接或者間接源自環境的腐蝕[2]。據統計，每年因腐蝕造成的直接經濟損失占國民生產總值的1.5%～4.2%，其中10%～30%是由海洋腐蝕造成的[3-4]。目前，在船舶維修行業，涂料涂裝防腐是應用最廣泛，也是最有效和經濟的方法。金屬表面在涂裝前必須除去引起腐蝕的各種有害因素，如附著物，同時通過處理使材料表面獲得一定粗糙度，增加涂膜附著力。因此，涂裝前的表面處理是施工過程中不可缺少的工序，是保證涂層質量的重要環節。

在船舶行業，前處理通常采用噴砂打磨的方法。該方法簡單高效，但噴砂過程中的粉塵和噪聲會嚴重危害施工人員的身體健康，而且對于某些復雜結構的作業面也難以打磨完全，成本也較高。為解決這一問題，低表面處理的帶銹涂裝涂料應運而生，成為國內外的研究熱點[5-7]。實踐證明，涂料帶銹涂裝可以有效降低和簡化前處理工藝，縮短施工工期，降低施工成本，經濟效益顯著[8]。本文在傳統的環氧富鋅涂料基礎上，添加自制的納米防銹顏料，并對新制備的涂料的各項理化性能進行測試。

1 試驗

1.1 試驗原料及設備

本次試驗制備涂料為雙組分涂料，分為甲組分涂料和乙組分固化劑，制備涂料終產品時質量比為10∶1，所需原料分別如下。

1.1.1 甲組分涂料

鳳凰牌環氧樹脂E-44（6101），南通星辰合成材料有限公司；二甲苯，國藥集團化學試劑有限公司；正丁醇，國藥集團化學試劑有限公司；正丁醚，上海五聯化工廠有限公司；納米復合防銹顏料，自制，細度為800 nm左右，主要成分為納米ZnO改性粉體；鋅粉，國藥集團化學試劑有限公司；磷酸鋅（1 250目）、有機膨潤土（400目）、云母粉（1 250目），常州市禹恩新材料科技有限公司。

1.1.2 乙組分固化劑

650聚酰胺，帆嘯化工科技有限公司；二甲苯、正丁醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

本次試驗所用主要儀器設備為金壇區白塔新寶儀器廠生產的JJ-1B恒速電動攪拌器，帶數顯屏，可根據需要設定轉速以及時間，調速范圍為0～3 000 r/min；

LP750鹽霧試驗箱，上海林頻儀器股份有限公司；QCJ-50漆膜沖擊器，天津市科信試驗機廠。

1.2 涂料制備

根據實驗室所用涂料容器的容積（2 L）及攪拌機的功率，設定單次試驗涂料制備量為2 kg。其中，甲組分各項原料的配比如表1所示。

表1 甲組分配方

取環氧樹脂、正丁醇、正丁醚及二甲苯放入容器混合，用攪拌機以500 r/min的轉速攪拌30 min。同時，另取容器，分別放入自制納米防銹顏料、磷酸鋅、鋅粉以及云母粉三種粉末，用勺子手動攪拌使其混合均勻。待之前的攪拌機攪拌結束得到澄清溶液后，將手動攪拌后的粉末倒入，然后放入有機膨潤土，先用攪拌棒進行手動攪拌，之后用攪拌機以500 r/min轉速攪拌20 min。攪拌結束后，靜置20 min使其充分潤濕分散。最后將轉速設為1 400 r/min，并攪拌90 min后，得到甲組分涂料。

按照甲組分與乙組分質量比為10∶1配制200 g乙組分固化劑，其原料配比如表2所示。取相應的三種原料，用攪拌機以500 r/min低速攪拌20 min。之后將其倒入甲組分中，用攪拌機低速攪拌15 min，得到最終所需涂料，如圖1所示。

表2 乙組分配方

圖1 涂料終產品

2 性能測試及結果討論

2.1 性能測試試驗

本次試驗期間，所有性能測試主要選用尺寸為150 mm×70 mm×1 mm的鋼板，其中耐沖擊性測試選用120 mm×50 mm×0.28 mm的馬口鐵板。除耐沖擊性外，其余性能均進行無銹鋼板和生銹鋼板涂刷后的性能對比。

所以，鋼板需進行人工生銹處理，處理后的鋼板如圖2所示。

圖2 處理后的帶銹鋼板

用刷子將最終制得的涂料均勻涂刷于測試樣板上，然后靜置5 d使其發生充分的固化反應，如圖3所示。之后，分別對涂料的耐沖擊性、硬度、附著力、耐鹽水性和耐鹽霧腐蝕性進行測試和對比。

圖3 涂刷涂料后的測試樣板

2.2 力學性能

分別按《色漆和清漆 快速變形（耐沖擊性）試驗第1部分：落錘試驗（大面積沖頭）》（GB 20624.1—2006）、《色漆和清漆 鉛筆法測定漆膜硬度》（GB 6739—2006）、《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》（GB 9286—1998）對涂料的耐沖擊性、硬度和附著力進行測試，測試結果如表3、圖4、圖5和圖6所示。從表3可以看出，帶銹鋼板涂刷后的性能等于或優于無銹鋼板。這是因為帶銹鋼板的鐵銹之間存在許多空隙，而納米粒子的小尺寸效應使其可以填充到這些空隙中，形成致密、穩定的復合結構，同時由于表面嚴重的配位不足、龐大的比表面積及表面缺氧等特點，納米粒子表現出極強的活性，可顯著提高涂料的強度[9]。

表3 涂料力學性能

圖4 耐沖擊性測試

圖5 鉛筆硬度測試

圖6 附著力測試

2.3 耐腐蝕性能

分別按《色漆和清漆 耐液體介質的測定》（GB 9274—1988）、《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測定》（GB 1771—2007）對涂料的耐鹽水性和耐鹽霧腐蝕性進行測試，測試結果如圖7、圖8及表4所示。

圖7 耐鹽水性測試

圖8 耐鹽霧腐蝕性測試

表4 涂料耐腐蝕性能

可以看出，無論是否帶銹，涂料的耐腐蝕性均表現較好。而普通涂料涂刷于帶銹鋼板上，往往耐腐蝕性較差，因為銹層阻礙了涂料與鋼板基層的結合，同時銹層中的活性組分會加速涂層的破壞，如β-FeOOH。而添加了自制納米防銹顏料之后的涂料，一方面其中的氧化鋅、亞氧化鈦等活性物具備良好的耐腐蝕性和穩定性，可以改善涂料的防護性能，另一方面亞氧化鈦又可以與銹層中的活性組分如β-FeOOH反應，將其轉化為惰性的α-FeOOH和Fe3O4等成分，使其成為涂層中的防銹填料，提升了涂料的整體性能[10-11]。

3 結論

添加自制納米防銹顏料的涂料，涂刷在帶銹鋼板上之后，其耐沖擊性和附著力與涂刷在無銹鋼板持平，而硬度優于后者。耐腐蝕性方面，帶銹鋼板涂刷涂料，能達到與無銹鋼板一致的耐鹽水腐蝕性和耐鹽霧腐蝕性。添加自制納米防銹顏料后的涂料，在帶銹鋼板上的各項性能均不劣于無銹鋼板，滿足使用要求，因此可以涂刷在經過簡單前處理后的帶銹船體鋼板上，精簡了煩瑣的前處理過程，大大降低了工藝成本，具有廣泛的市場應用前景。