工程機械用水性環氧防腐底漆的制備

何 暢，肖 昴，陳中華

(1 嘉寶莉化工集團股份有限公司，廣東 江門 529085；2 華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640)

工程機械是機械行業里的重要組成部分，在國家基礎建設中有著不可或缺的作用，工程機械種類繁多,包含范圍從通用設備制造業到專業設備制造業，涵蓋了挖掘機械、鏟土運輸機械和工程起重機械等主要的幾類[1]。由于大部分工程機械所處的工作環境基本都在外，不僅要經受戶外的雨淋日曬，有時還要在極端的工作環境下承受泥石沙等的沖擊磨損和腐蝕，故對于所使用的防護涂層有較高的性能要求標指標。工程機械設備涂層漆膜的耐腐蝕性能和附著力主要是底漆提供，因而要求所使用的底漆，具有優異的耐鹽霧性能，優異的附著力，以及優異的物理性能，同時為了適應涂裝廠的生產節奏，還要求底漆干燥速度快，能夠快速噴涂面漆[2]。

目前的工程機械底漆涂裝主要還是以溶劑型環氧底漆為主，VOC含量高，氣味大，不符合環保要求，環氧底漆的水性化，在工程機械涂裝領域具有不可逆轉的趨勢，但是水性環氧防腐底漆目前還是存在一定的問題，比如干燥速度偏慢、早期性能差、和面漆的匹配性不佳等[3-6]。

基于此，開發一款干燥速度快、耐鹽霧性能優異，同時與面漆具有良好匹配性的水性環氧底漆至關重要。本文通過篩選市面上的水性環氧乳液和固化劑，并考察防銹顏料種類和用量對涂層理化性能的影響，制備了一款干燥快、防腐性能優異的雙組份水性環氧防腐底漆，同時還有效地減少水性環氧底漆因干燥過慢導致的漆膜性能下降和配套面漆表面效果欠缺的問題。

1 實 驗

1.1 主要原材料

水性環氧乳液和水性固化劑的指標見表1。鈦白粉(R998)，西昌瑞康鈦業；硅灰石、云母粉，國產；增稠劑(Borchi Gel 0620)，德國OM Group；分散劑(TEGO 760w)，德國迪高；防閃銹劑(H14)，法國ASCOTEC；助溶劑(工業級)，廣州化學試劑廠；潤濕流平劑(TEGO 4100)，德國迪高；消泡劑(TEGO 901W)，德國迪高；防銹顏料(ZMP-1/ZPA-X/ZPW-1/ZPL)，湖南瑞石科技；防銹顏料(B560/A218)，江蘇合三弘納米科技。

表1 水性環氧乳液和水性固化劑的基本參數

1.2 實驗儀器

BGD740/1高速分散機，廣州標格達精密儀器；TENSOR37傅里葉變換紅外光譜儀，BRUKER公司；Q25型掃描電子顯微鏡，FEI公司；CS350電化學工作站，武漢科斯特儀器有限公司。

1.3 水性環氧防腐底漆的制備

1.3.1 漿料的制備

將去離子水、潤濕劑、分散劑、一部分消泡劑依次加入攪拌機，將中速分散5 min后，在低速攪拌下，依次加入防銹顏料、鈦白粉、云母粉和硅灰石，攪拌15 min，最后通過砂磨機研磨至30 μm細度，用200目紗網過濾得到漿料待用。

1.3.2 A組分的制備

將漿料在低速攪拌下加入環氧乳液中，再依次加入助溶劑、潤濕流平劑和剩余消泡劑加入攪拌機，低速攪拌15 min后，加入增稠劑調節粘度至合適粘度，得到雙組份水性環氧防腐涂料的A組份。

1.3.3 B組分的制備

表2 水性環氧防腐底漆基礎配方

將防閃銹劑和胺類固化劑混合加入分散罐中，調整攪拌機轉速至400 r/min，攪拌15 min，得到雙組份水性環氧防腐涂料的B組份。

1.4 涂層制備及性能測試

1.4.1 涂層的制備

將制備好的雙組份水性環氧防腐涂料A組份和B組份以一定的比例混合均勻，噴涂至測試基材上，在常溫下自然干燥，漆膜養護7天，測試干膜厚度保證其在50～70 μm之間的厚度。

1.4.2 測試與表征

成膜物質結構：紅外光譜(FTIR)測試；微觀結構：掃描電子顯微鏡(SEM)分析；電化學測試：電化學阻抗譜(EIS)測試；附著力測試：按GB/T 1928-1998測試；耐水性測試：按GB/T1733-1993測試；耐酸耐堿測試：按GB/T9274-1998測試；耐中性鹽霧測試：按GB/T1771-2007測試。

2 結果與討論

2.1 水性環氧乳液/固化劑種類對環氧底漆性能的影響

成膜物質基本決定了涂層的主要性能，因此篩選合適的水性環氧乳液和固化劑，對最終水性環氧防腐底漆產品起到決定性作用。選取了幾款不同廠家的水性環氧乳液和固化劑，制備水性環氧防腐底漆。

目前市面上主流的幾款水性環氧乳液，環氧當量均設計在1000 g·eq-1左右，分子量大同小異，主要是在分子設計和合成路徑上有所區別，這就造成了環氧當量接近，但是性能卻不盡相同。我們選取了三種不同廠家的水性環氧乳液分別搭配Banco 920固化劑分別搭配，水性環氧乳液和固化劑以環氧基數量和活潑氫數量等比例搭配，得到的涂層紅外譜圖如圖1(a)所示。

如圖1(a)表明，三種水性環氧乳液與固化劑制備的涂層，結構類型是上是類似的，主要是-OH(3387 cm-1處特征吸收峰)和叔胺基(734 cm-1處特征吸收峰)數量上略有不同，這與其三者的環氧當量有關，也有可能與三者的反應程度有一定的關系。

圖1 三種水性環氧乳液分別與Banco 920制備的涂層(a)和 兩種水性固化劑與Banco 2092制備的涂層(b)的紅外譜圖Fig.1 Infrared spectra of coatings prepared by three water-based epoxy emulsions and Banco 920(a) and coatings prepared by two water-based curing agents and Banco 2092(b)

市面上水性固化劑的種類則各不相同，選取了兩種不同的水性固化劑Banco 920和CA-883，分別與水性環氧乳液Banco 2092進行搭配，得到的涂層紅外譜圖如圖1(b)所示。

圖1(b)表明，Banco 2092/Banco 920制得的涂層中，叔胺基的紅外吸收更強，說明兩者的反應更加充分，產生了更多的叔胺基。將三種水性環氧乳液和兩種水性固化劑進行搭配制漆，所得到的涂層性能如表3所示。

表3 水性環氧防腐底漆的測試結果

綜合干速、硬度和耐鹽霧，Banco 2092+Banco 920綜合性能最佳，指壓干時間20 min，硬度H，耐水2000 h，耐鹽霧大于400 h。

2.2 防銹顏料種類對環氧底漆性能的影響

雙組份水性環氧防腐涂料中，防銹顏料對環氧底漆的防腐性能起著重要的作用，在高耐鹽霧要求的水性雙組分環氧防腐底漆中，主要以化學緩蝕型防銹顏料為主，本部分主要研究不同類型的防銹顏料對水性環氧底漆性能的影響。表4是不同類型的化學緩蝕型防銹顏料對涂層性能的影響。

結果顯示，W808對涂層耐水性和耐酸耐堿性的影響較大，這是因為W-808是主要成分是鉬硅酸鹽水合物，和其余幾種磷酸鹽類型的防銹顏料相比其親水性會更強，所以降低了漆膜的耐水性，但是其能夠和樹脂體系中的羥基形強的分子間作用力，加強與涂層體系間的次價鍵力，故W808制備的環氧涂層耐酸堿性最好。從耐鹽霧時長來看，ZMP-1制備的涂層耐鹽霧最佳，這主要是因為ZMP-1具有多種防銹作用相互協同，使得其耐鹽霧最佳。ZMP的組份是磷鉬酸鋁鋅和堿式磷酸鋅鉬，漆膜中的磷酸根離子可以吸附于基材表面形成致密鈍化膜，鉬酸根離子能夠在金屬基材表面形成一層具有吸附性的氧化膜對基材進行修復保護，兩者都有較強的防腐作用；鉬酸根離子會與鹽霧中的Cl-在金屬基材表面形成競爭吸附作用，減少了Cl-對基材的腐蝕；磷鉬酸鋁鋅和堿式磷酸鋅鉬帶有磷酸復鹽的結構，具有優異的吸附性和離子交換性，能緩慢釋放一部分磷酸根離子和鉬酸根離子吸附于金屬表面，提高漆膜的長效防腐性；同時少量的鉬酸鹽防銹顏料能與磷酸鹽防銹顏料形成協同作用，提高防腐性能。

表4 不同防銹顏料環氧涂層的性能測試結果

圖2和圖3反映了不同防銹顏料制備的涂層在耐鹽水測試過程中的電化學阻抗譜的結果。從測試結果來看，ZMP-1在長時間的耐鹽水過程中，其阻抗值變化最小，仍能保持接近108Ω·cm2，說明其對電解質中腐蝕介質的抗滲透作用最強，該測試結果與耐鹽霧測試結果一致，均說明了ZMP-1對腐蝕介質的抵抗能力最強，能夠大大減弱離子的滲透。

圖2 涂層的阻抗譜(24 h鹽水浸泡)Fig.2 Impedance spectra of different coatings (24 h salt water immersion)

圖3 涂層的阻抗譜(240 h鹽水浸泡)Fig.3 Impedance spectra of coatings (240 h salt water immersion)

2.3 PVC對環氧底漆性能的影響

通過改變樹脂乳液和填料的用量，設置不同的PVC，研究PVC對水性環氧防腐底漆性能的影響，表5是不同PVC涂層的性能測試結果。

表5 不同PVC涂層的性能測試結果

結果表明，隨著PVC的增加，涂層的光澤顯著降低，從SEM形貌圖中也可以看出，PVC過高，基體樹脂已無法有效包覆粉料，這會影響涂層表面的折光率和平整度，進而導致光澤明顯下降。隨著PVC的提高，漆膜的耐酸堿性變差，是因為涂層通過樹脂對顏填料的包覆形成連續完好的漆膜，PVC過高漆膜中顏填料過多，環氧樹脂過少不能均勻包覆顏填料形成致密的漆膜抵抗酸堿的破壞。PVC在30%時，漆膜的致密性較好，耐酸堿性均達到48 h，同時由于更佳的致密性，此時耐鹽霧性也達到最佳528 h，SEM形貌圖也顯示，在PVC為30%時，涂層的致密性最佳。

圖4 不同PVC漆膜表面SEM形貌圖Fig.4 SEM image of different PVC paint film surface

2.4 涂層的綜合性能

通過將雙組份水性環氧涂料作為底漆，自制雙組份水性聚氨酯涂料作為面漆，制備環氧底漆/聚氨酯面漆的復合涂層，對涂層的各項性能進行測試，與單層的雙組份環氧涂層進行對比，表6為涂層性能測試結果對比。

表6 復合涂層性能測試結果對比

由表6可以看出，相較于單層的水性環氧防腐涂層，復合涂層耐酸耐堿和耐鹽霧性更優，復合涂層耐酸達到168 h、耐堿達到96 h、耐鹽霧達到1000 h，復合涂層的綜合性能超過了行業標準HG/T4339-2012中工程機械涂料涂層體系的性能要求。

3 結 論

選用Banco2092+Banco920為水性環氧防腐底漆的成膜物質，防銹顏料采用ZMP-1，PVC設計為30%，水性環氧底漆的綜合性能最佳，與自制水性聚氨酯面漆復配后，耐酸性達到168 h，耐堿性達到96 h，耐鹽霧可達1000 h，該復合涂層的綜合性能超過了行業標準HG/T 4339-2012性能要求。