無機改性水性涂料的制備及其性能研究

荊凡迎，李金龍，陳 宇

(濱州學院 化工與安全學院，山東 濱州 256600)

金屬材料因其優良的機械性能，良好的導電、導熱等性能，廣泛地應用于工業發展與人民日常生活中。然而，這些金屬材料在使用過程中，由于受到腐蝕性粒子的侵蝕，易發生腐蝕，嚴重地還會引起安全事故。因此，需要采取一定的措施抑制金屬材料的腐蝕。有機涂層是一種抑制金屬材料腐蝕的重要手段。傳統的有機涂層為溶劑型，原材料中含有諸多有毒的揮發性有機物，對社會和環境產生了重大危害。受國家可持續發展戰略的要求，開展無毒無污染的水性涂料的研究與應用具有重大意義。

水性涂料在成膜時，殘留的親水基團會在涂料內部形成極性通道，從而加速水分子及各種侵蝕性粒子到達金屬基底表面，造成金屬材料的腐蝕，這使得水性涂料的防腐蝕耐久性比不上溶劑層涂料[1]。因此，需通過添加功能性顏填料和助劑改善其綜合性能。覃園斯等[2]通過優化雙組分水性環氧樹脂涂料中顏填料的組成，獲得了一種耐蝕性能優異的水性涂料。楊璐璐等[3]分別用氨基硅油和納米二氧化硅改性水性環氧，制備得到了具有優良附著力、熱穩定性和耐蝕性能的疏水涂層。呂榮華等[4]通過添加防閃銹劑和磷鉬酸鋅獲得的水性雙組分環氧涂料，具有施工性能好，防腐性能好等優點。

本文固定顏填料體積濃度為25%，考察不同顏填料級成對附著力，硬度、耐鹽水和鹽霧試驗等性能的影響，從而制備出一種兼具優良附著力、硬度和防腐蝕性能的水性雙組分環氧涂料。

1 試 驗

1.1 涂層制備

水性環氧樹脂以及配套的固化劑購于濟寧華凱樹脂有限公司。顏填料三聚磷酸鋁、氧化鐵紅、磷酸鋅和滑石粉均采購于阿拉丁試劑公司。

首先取一定質量的顏填料三聚磷酸鋁、氧化鐵紅、磷酸鋅、滑石粉分別加入燒杯中，在燒杯中加入一定量的去離子水進行攪拌，待顏填料全部溶解分散后，用分散磨砂機進行研磨，研磨速度為3000 r/min，得到各種組分的顏料漿，實驗過程中保證顏填料的體積濃度為25%。然后將水性環氧樹脂和顏料漿混合均勻，用分散磨砂機分散研磨25 min，分散速度為400 r/min，，即可得到水性環氧防銹涂料A料。將制備的A料與配套的水性環氧樹脂固化劑以2∶1的比例混合，不斷用玻璃棒進行攪拌，待均勻后將其涂覆在馬口鐵上，室溫固化即可制得水性環氧防銹漆膜。

本試驗通過改變顏填料的組成來考察顏填料種類對于水性環氧防銹涂料綜合性能的影響規律，擬定以下4個不同的顏填料組分進行對比實驗：

①空白組：僅由水性環氧樹脂和固化劑制備而成的漆膜；②普通組：在水性環氧樹脂和固化劑中只加入顏填料滑石粉；③防銹組1：在水性環氧樹脂和固化劑中加入顏填料滑石粉、普通物理防銹填料氧化鐵紅，滑石粉和氧化鐵紅的質量比為1∶1；④防銹組2：在水性環氧樹脂和固化劑中加入顏填料滑石粉、普通物理防銹填料氧化鐵紅和化學防銹填料三聚磷酸鋁和磷酸鋅，其中滑石粉、氧化鐵紅、三聚磷酸鋁和磷酸鋅的質量比為1∶1∶1∶1。

1.2 性能測試

采用電動漆膜附著力測試儀測試不同的顏填料組分的水性環氧涂層的結合力，根據GB/T 9274-1988測試水性環氧涂層的耐鹽水性，采用鉛筆硬度法測試涂膜的硬度，根據GB/T 10125-1997進行鹽霧試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 顏填料對涂層附著力的影響

圖1 附著力畫圈法測試結果

圖1為采用電動漆膜附著力測試儀對涂膜進行附著力的測試結果。空白組中涂層對基材具有極高的附著力，柔韌性好，測得的附著力均為0級。普通組中添加了顏填料體積濃度為25%的滑石粉。滑石粉是一種功能體制填料，其主要成分為硅酸鎂，其片狀結構可以降低期末的裂紋敏感性，延長腐蝕介質的擴散路徑，普通組漆膜測得的附著力為1級。防銹組1中添加的氧化鐵紅是一種物理防銹顏料，其化學性質穩定，具有較好的著色力和遮蓋力可是漆膜致密，降低滲透性。但是由于

其質地堅硬，漆膜附著力會有所下降，因此測得的附著力為2級。防銹組2中同時添加了適量的滑石粉、氧化鐵紅、三聚磷酸鋁和氧化鋅。三聚磷酸根離子與各種金屬離子有較強的螯合力；磷酸鋅是一種無毒、高效的新型金屬防腐蝕活性顏料，可以提高漆膜的附著力，因此該組分漆膜測得的附著力為0級。由此可知，在水性環氧樹脂中添加適量的滑石粉、氧化鐵紅、三聚磷酸鋁和磷酸鋅顏填料，有助于提高漆膜的附著力強度。

2.2 顏填料對涂層硬度的影響

利用鉛筆劃痕試驗儀測得不同顏填料成分的水性環氧涂層的硬度，其測試結果如圖2所示。空白組制備得到的漆膜的硬度為2H。普通組雖然通過添加滑石粉，改善了漆膜與基材的結合性，但并未增強漆膜的硬度，普通組漆膜的硬度為2H。防銹組1中在添加滑石粉和氧化鐵紅的條件下，漆膜更加致密，且漆膜的柔韌性也有明顯降低，但漆膜的硬度未見顯著變化，其測得的硬度也為2H。防銹組2中添加的三聚磷酸根離子與各種金屬離子有較強的螯合力，相對增加了漆膜的硬度，因此防銹組2的漆膜硬度最好，為4H。綜上可知，防銹組2的硬度最優。

2.3 顏填料對涂層耐鹽水腐蝕性能的影響

圖3 普通組鹽水試驗測試結果

不同顏填料成分的水性環氧涂層涂在馬口鐵片上，待成膜干燥后，將其浸泡在3.5%的鹽水中360 h，觀察漆膜的表觀形貌的變化，相關測試結果見圖3。空白組中由于沒有添加任何顏填料，在3.5%鹽水中浸泡360 h后，鐵片上產生少量的銹蝕，但是漆膜不起泡。普通組中加入滑石粉作為顏填料，滑石粉是一種功能體質填料，其片狀結構可以降低漆膜的裂紋敏感性，改善漆膜與基地的結合性和耐候性，從而提高了其耐鹽水性。

防銹組1中加入滑石粉和氧化鐵紅作為顏填料，氧化鐵紅是一種物理防銹顏料，其化學性能穩定，具有良好的耐久性，耐化學性和耐熱性，可以降低滲透性等，因此可以提高漆膜的耐鹽水性，漆膜不起泡。防銹組2中加入滑石粉、氧化鐵紅磷酸鋅，三聚磷酸鋁作為顏填料，三聚磷酸鋁具有較強的螯合力，磷酸鋅同時具有陰極極化和陽極極化作用，可以在漆料-顏料-底材之間形成化學鍵，從而有效提高了涂層的抗滲透性和防腐性，因此在3.5%鹽水中浸泡360 h后，漆膜不起泡。

2.4 顏填料對涂層鹽霧測試的影響

圖4 鹽霧試驗后涂膜形貌

如圖4所示，空白組720 h后劃痕處生銹；普通組120 h后劃痕處生銹；防銹組1在鹽霧實驗720 h后劃痕處未生銹，但劃痕處起泡；防銹組2劃痕處無變化。產生上述變化的原因是未添加任何顏填料的空白組漆膜的防腐性能較差；普通組耐蝕性能有所增強；防銹組1中添加的氧化鐵紅化學性能穩定，具有良好的耐久性、耐化學性和遮蓋力，屏蔽作用強，雖然在720 h之后劃痕處起泡，但未生銹；防銹組2中不僅具備前面幾組的優點，三聚磷酸鋁能與各種金屬離子螯合，在被涂物表面形成鈍化膜，對鋼鐵以及輕金屬等的腐蝕具有極強的抑制作用，而磷酸鋅是一種無毒高效的新型金屬防腐蝕活性顏料，在漆料-顏料-底材之間形成化學鍵，從而起到帶銹防銹的作用，在鹽霧試驗中720 h后劃痕處無變化。因此可以說帶銹組的防腐蝕性能最佳。

3 結論

利用濟寧華凱樹脂有限公司生產的50%含量的水性環氧樹脂以及50%含量的固化劑，添加滑石粉、氧化鐵紅、磷酸鋅、三聚磷酸鋁顏填料，成功配置出一種高性能的水性環氧樹脂帶銹涂料。當水性環氧帶銹涂料顏填料體積濃度為25%，顏填料中滑石粉、氧化鐵紅、三聚磷酸鋁和磷酸鋅的質量比為1∶1∶1∶1時，漆膜的附著力為0級，硬度為4H，在3.5%鹽水中浸泡360 h無變化，在鹽霧實驗中720 h無變化。