高鉻鋼低表面處理涂料制備研究

張芷豪，韓東山，張愛黎

（沈陽理工大學環境與化學工程學院，遼寧沈陽110159）

有研究表明，涂料涂裝前需要對基材表面進行打磨、除油、除銹、磷化等前處理，其所花費的費用占整個涂料涂裝工程總價的45%［1］。并且，在已經生銹的設備進行維護時，常常不能進行徹底的打磨、噴砂、除銹以及干燥等嚴格的前處理，常規涂料涂裝性能難以滿足要求［2］。為了滿足市場的需求，降低前處理工序與成本，能夠在帶油、帶銹、帶水的金屬表面直接進行涂料的低表面處理涂料成為研究的熱點。如帶油鎂合金用耐高溫涂料的研究［3］，研制的涂料具有良好的耐濕熱、耐鹽霧、耐介質的性能，能夠滿足在海洋環境下飛機發動機鎂合金零部件的維修需要。低碳鋼基材表面低表面處理涂料［4］，實現了在帶油、帶銹以及潮濕表面的涂裝，能夠用作船舶、機械等鋼結構做底漆和中間涂層的低VOC、低表面處理涂料［5］，具備快干、可復涂，固化溫度范圍廣的特點。可以用于石化系統的管道、舊油罐及附屬鋼結構以及船舶及石油平臺的維修，工程現場維護的低表面處理涂料［6］，可潮濕固化、涂層防腐蝕性能，附著力良好。鋼桶外表面用帶油低表面處理涂料［7］，可在含有少量防銹油的鋼桶底材上施工，解決了水性鋼桶涂料“抽坑”問題。在輸電線路桿塔防腐蝕中采用低表面處理涂料［8］，符合野外現場施工條件，簡單易行。油艙、油罐等儲油、輸油設備的再涂裝中應用低表面處理涂料，已經在油船特種涂裝施工中得到應用［9］。

目前，人們在帶油涂料方面的研究少于帶銹涂料方面的研究，而且對于多功能低表面涂料的方面的研究更少。以至于面臨需要重涂或者由于不能夠進行嚴格前處理設施設備的情況時，可使用的針對性較強的維修維護涂料少。硅油及其衍生物由于其高溫的熱穩定性，常用于高溫下金屬摩擦時的潤滑油，在對設備維修維護涂裝時會造成油污染。本文針對軍用特種鋼材帶油表面，研究一種可以在以二甲基硅油為主的機油表面上涂裝的低表面處理涂料，并具備附著力、耐蝕性能良好、高硬度以及較高耐沖擊強度，高耐蝕性的特點。

1 實驗部分

1.1 主要原料

E-44溶劑型環氧樹脂及其配套固化劑，南通星辰合成材料有限公司；固化劑（固含量53%），上海康福化工有限公司；滑石粉，天津市大茂化學試劑廠；三聚磷酸鋁，山東優索化工科技有限公司；磷鐵粉（800目），上海司太立制藥公司；硅酸鈣、磷酸鋅、氧化鐵紅、二甲苯、正丁醇、無水乙醇、乙酸乙酯，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 漆膜性能測定

在漆膜實干并經過一周養護后進行漆膜性能測定。采用MIKROTEST 磁力測厚儀測定涂層的厚度。依據GB/T 1728-1979（1989）《漆膜、膩子漆干燥時間測定法》測定涂層表干時間和實干時間；依據GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》測定涂層附著力；依據GB/T 1763-1989《漆膜耐化學試劑性測定法》方法測定漆膜耐酸、堿、鹽性能。依據GB/T 1730-2007，采用擺桿硬度計測試涂層硬度；依據GB/T 1732-1993測試漆膜抗沖擊性能。

1.3 涂料及涂膜制備工藝

1.3.1 帶油帶銹試片的制備

高鉻鋼樣件為35CrMnSiA，打磨、除油、酸洗、水洗處理后取出放置24 h，置入二甲基硅油中浸泡24 h 取出，脫脂棉擦去樣件表面的二甲基硅油。樣件帶有閃銹和一層薄油膜。

1.3.2 涂料配方

經多次選擇后確定涂料的配方見表1。為降低涂料VOC含量，涂料研制為高固含量低表面處理涂料，固含量為70%。復合溶劑為無水乙醇、正丁醇、乙酸乙酯、二甲苯。少量助劑為：分散劑5040 和潤濕劑DW345，未計入配方。

表1 涂料配方Tab.1 The coating formulation

1.3.3 涂料制造與涂裝工藝

復合溶劑按比例配置，4/5 分散環氧樹脂，1/5用于分散固化劑（B 組分）；研磨后的顏填料加少量樹脂溶液潤濕后加樹脂溶液調稀，置入分散機中，加剩余樹脂以及助劑，分散，制得A 組分，倒入燒杯中。B 組分攪拌下加入A 組分中，繼續攪拌使A、B兩組分充分混合，停止攪拌，QXD 刮板細度計測定涂料的細度，靜止數分鐘后，開始涂裝。

將適量涂料倒在樣件上，以恒定壓力、速度緩慢拉動線棒涂布器進行涂裝，涂裝后室溫干燥。涂膜表干后進行二道涂裝，干膜厚度40～50 μm。依據標準評價涂料、涂裝性能，并記錄表干、實干時間，養護7 d后測試涂膜力學性能以及耐腐蝕性能。

2 結果與討論

2.1 顏基比對涂料性能的影響

根據表2 可知，顏基比較低時，涂料放置穩定性較差，久置分層，當顏基比為1.6時，放置穩定，且涂料黏度適宜涂裝，表干時間短。同時，隨著顏基比增加，涂料硬度增加。低顏基比涂料涂裝時，高鉻鋼表面的油脂對涂層影響嚴重，涂層表面出現縮孔，針孔，露底等問題。隨著顏基比增加，顏填料的“釘扎”作用，使涂層有更好的附著力，以及合適的表面張力，涂膜流平性變好，無表面張力問題。

表2 顏基比對涂料性能的影響Tab.2 Effect of the pigment binder ratio on the coating properties

2.2 固化劑用量對涂料與涂層性能的影響

通過改變樹脂和固化劑的質量比研究固化劑用量的影響，結果如下表3 所示。隨著涂料固化劑的用量增加，涂料的黏度逐漸增加。當樹脂和固化劑的質量比為10∶3 時，涂料流變性好，無刷痕，表干時間最短。當質量比為2∶1 時，涂料黏度太大，不適宜涂裝，附著力變差。

表3 固化劑用量對涂料性能的影響Tab.3 Effect of curing agent dosage on coating properties

2.3 混合溶劑配比對涂料與涂層性能的影響

以混合溶劑質量分數為10 份配制，不同的混合溶劑對涂料性能影響研究結果如下表4 所示。實驗研究了幾種溶劑的復配，其中甲苯與二甲苯為石油溶劑，便宜易得，但是有不同的毒性。甲苯沸點低于二甲苯，有更高的揮發性，毒性高于二甲苯；二甲苯比甲苯有更好的溶解力。乙酸乙酯為強溶劑與醇類助溶劑配合使用，使混合溶劑具有合適的揮發梯度與溶解力。從上表中也可知以二甲苯，正丁醇，乙酸乙酯為溶劑時的涂料，干性最差，附著力最低，且有嚴重的橘皮現象。使用揮發度更大的甲苯替換二甲苯后，橘皮現象變輕，但是涂層流平性仍然較差。增加二甲苯用量降低正丁醇用量，并使部分乙醇替代正丁醇，制備的涂層平整，且較少用量即得到適宜涂裝黏度的涂料，證明該復配溶劑為涂料的良溶劑。

表4 混合溶劑對涂層性能的影響Tab.4 Effect of mixed solvent ratio on coating properties

2.4 氧化鐵紅用量對涂料與涂層性能的影響

以氧化鐵紅用量占顏填料的質量百分數進行研究。磷酸鋅∶磷鐵粉=1∶1，滑石粉∶硅酸鈣=1∶1，氧化鐵紅用量對涂料性能的影響如下表5 所示。氧化鐵紅用量為27%時，涂膜的表干時間長，而且耐酸堿性能下降，附著力變差，硬度較低。氧化鐵紅用量為27%時涂料黏度較大，不易涂裝，流平性差，涂層有刷痕。涂層耐酸性差，且隨著氧化鐵紅用量增大，耐酸性介質時間變短，原因是氧化鐵紅可以與酸發生化學反應所致。綜合性能，選擇氧化鐵紅質量分數為9%時為優化條件。

表5 氧化鐵紅用量對涂料性能影響Tab.5 Effect of iron oxide red dosage on coating properties

2.5 硅酸鈣用量對涂料與涂層性能的影響

硅酸鈣用量對涂層相關性能的影響結果如表6所示。減少了氧化鐵紅用量的配方，隨著硅酸鈣用量增加，涂料的放置穩定性好，黏度亦適宜涂裝，成膜無刷痕、縮孔等表面張力問題。由表6 中可知，隨著硅酸鈣用量的增加，涂層的硬度逐漸增大。在硅酸鈣用量為14%時，涂層的表干時間較長，硅酸鈣用量增加后，涂層的表干時間逐漸變短。

表6 硅酸鈣用量對涂層性能的影響Tab.6 Effect of calcium silicate dosage on coating properties

2.6 滑石粉用量對涂料與涂層性能的影響

滑石粉用量對涂料相關性能的影響結果如下表7 所示。根據表7 可知，滑石粉用量對涂料性能影響與硅酸鈣對涂料性能影響相近。隨著填料用量增加，涂料穩定性增加，黏度適宜，流變性好，涂層流平性好，表干時間變短，實干時間在15 h 內。不同的是增加滑石粉用量，涂膜硬度增加的快，以及涂膜的耐酸性不同。綜合評價，滑石粉用量與硅酸鈣用量質量比為1∶1。

表7 滑石粉用量對涂料性能的影響Tab.7 Effect of talc powder dosage on coating performance

2.7 優化配方與涂料性能

通過實驗不斷優化，確定了最優配方，最優配方制備的漆膜表面狀態如下圖1 所示，對最優配方下制備的涂料及其漆膜按國標GB/T 1763-1989 檢測涂料性能如下表8所示。

圖1 最優配方下的漆膜表面狀態Fig.1 Surface condition of paint film under optimal formula

3 結論

本文開展了高鉻鋼低表面處理涂料配方的研究，并對其漆膜性能進行了研究，得到了以下結論。

表8 低表面處理涂料性能Tab.8 Surface tolerant treatment coating performance

（1）成功制備出高鉻鋼低表面處理涂料，其最優配方為：基料樹脂E-44與固化劑的質量比10∶3，防銹顏料占顏填料質量分數為49%，磷酸鋅、磷鐵粉與氧化鐵紅質量分數分別為20%、20%、9%，填料硅酸鈣和滑石粉質量比1∶1。涂料固含量為70%，顏基比1.6∶1，復合溶劑為二甲苯：無水乙醇∶正丁醇∶乙酸乙酯，其質量比為5∶1∶1∶3。

（2）研究得到的涂料及其漆膜性能符合和部分超過國家標準，可以在帶銹帶油表面涂裝，涂料流變性好，可以滾涂或者刷涂，涂膜表面光亮豐滿，有良好的附著力和力學性能。