鋼結構輕防腐用水性丙烯酸底漆的制備

劉敏換，張博曉，裴 勇，張 培

(廣州集泰化工股份有限公司，廣東 廣州 510700)

鋼結構常用于工程結構中，如橋梁、工業廠房、建筑工地用房和塔架等。為延長使用壽命，鋼結構涂裝防腐漆是一種簡單而有效的方式[1]。隨著行業對環保要求的提高，鋼結構防腐漆逐步水性化，特別是輕防腐市場。同時，輕防腐水性漆市場進入了紅海期[2]，市售產品形形色色，性能差異大，腐蝕防護性和施工性方面的問題頻出，影響了行業的可持續發展。

由于高性價比和低氣味，丙烯酸酯乳液的應用日益廣泛。其中，水性單組份丙烯酸漆應用于金屬防腐領域，能夠在輕腐蝕環境為工件提供有效的防護，提高使用壽命。如何提高漆膜的抗腐蝕性是當前水性丙烯酸防腐漆要解決的關鍵問題之一。本文考察了苯丙乳液、顏填料、防閃銹劑和pH調節劑對水性丙烯酸底漆防腐性能的影響。

1 實 驗

1.1 主要原料

苯丙乳液A、B、C和D，上海保立佳化工股份有限公司；防銹顏料A，湘潭雙馬世紀新材料有限公司；防銹顏料B，海博；防銹顏料C，江陰愛帝達化工有限公司；防閃銹劑A和防閃銹劑B，廣州市雙聚化工產品有限公司；防閃銹劑C，上海深竹化工科技有限公司；pH調節劑A，廣州市科峰化工有限公司； pH調節劑B，廣東順德維翔建材科技有限公司；鍶鉻黃、亞硝酸鈉、氨水、N，N-二甲基乙醇胺DMEA、滑石粉、云母粉等，市售。

1.2 主要儀器設備

斯托默粘度計、BGD750/1 型攪拌砂磨分散多用機，廣州標格達實驗室儀器用品有限公司；CZ290A型精密型鹽水噴霧試驗機，廣東眾志檢測儀器有限公司；PHS-25型pH計，上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.3 水性丙烯酸底漆的制備

水性丙烯酸底漆的組成如表1所示。

表1 水性丙烯酸底漆的配方Table 1 Formulation for waterborne acrylic primer

按照配方量，在分散缸中加入水，在高速攪拌分散的條件下，依次加入分散劑、消泡劑和顏填料，高速分散10 min后進行砂磨至細度不超過50 μm。然后，往漿料中加入樹脂，中速攪拌，再依次加入pH調節劑、成膜助劑、防閃銹劑和剩余的消泡劑，充分攪拌均勻后，緩慢加入增稠劑至適當的粘度，過濾即得水性丙烯酸底漆。

1.4 性能測試

參照HG/T 5176-2017《鋼結構用水性防腐涂料》，制備測試樣板和測試涂料及漆膜的性能，配套面漆為我司的水性丙烯酸面漆JT-204M。閃銹抑制性的測試板材為噴砂鋼板和埋弧焊的T型鋼(焊縫長度15 cm，寬度1 cm)，測試環境的相對濕度≥90，測試時間≥4 h。

2 結果與討論

2.1 成膜樹脂的選擇

成膜樹脂是涂料的基礎，它的功能官能團、乳膠粒子和玻璃化溫度等差異，對漆膜性能有著重要的影響。在其它條件相同的情況下，分別使用苯丙乳液A、B、C和D這四種苯丙乳液制備涂料，測試結果如表2所示。

表2 不同樹脂的漆膜性能測試結果Table 2 Test results of the properties of different resins

從表2的測試結果來看，苯丙乳液A的耐水性和耐鹽霧性優于其它三種苯丙乳液，更適合用于輕防腐底漆。

2.2 顏填料對漆膜性能的影響

顏填料是色漆不可或缺的組分，提供裝飾性的同時，可改善漆膜的物化性能，還可賦予漆膜阻燃、導電、屏蔽等特殊功能[3]。顏填料的種類和用量，直接影響著原材料成本、涂料和漆膜的性能。

2.2.1 顏填料體積濃度(PVC)

為將成本優勢最大化，鋼結構輕防腐用水性漆的顏填料用量往往比較大。在其它條件相同的情況下，以苯丙乳液A為成膜樹脂，控制成膜樹脂的用量，制備不同PVC的涂料，測試結果如表3所示。

表3 PVC對涂料性能的影響Table 3 Effect of PVC on the properties of coating

PVC在35%～40%，漆膜的性能基本不變；PVC到45%，漆膜的耐鹽霧性能和附著力有些下降；PVC到50%，涂料的穩定性不好，在調漆和貯存過程會出現返粗，且漆膜的耐鹽霧性和附著力出現了明顯的下降。顏填料的用量較高時，即顏填料體積濃度(PVC)較高，成膜樹脂不足以潤濕和包裹顏填料粒子，所形成的漆膜內會出現“空穴”，漆膜的黏結強度和封閉性變差，抗腐蝕介質滲透能力變弱，漆膜的耐腐蝕性下降[4]。綜合來看，PVC設為40%～45%，漆的性價較高。

2.2.2 顏填料的種類

防腐底漆的顏填料體系主要包括著色顏料、體質顏料和防銹顏料。其中，體質顏料的占比一般較高，對漆膜的綜合性能影響比較大。常用的體質顏料有：碳酸鈣、硫酸鋇、滑石粉和云母粉等。在其它條件相同的情況下，選擇4種不同的體質顏料(添加量為28%)制備涂料，測試結果如表4所示。

表4 填料種類對涂料性能的影響Table 1 Effect of the type of filler on the properties of coating

從表4可看出，與重質碳酸鈣和天然硫酸鋇相比，使用滑石粉和絹云母粉的漆膜不容易起泡，具有更好的耐鹽霧性?；酆徒佋颇阜劬哂歇毺氐钠瑺罱Y構，在漆膜中平行重疊排列，延長了腐蝕介質滲透漆膜的路徑長度，具有良好的物理屏障作用，提高了涂膜的耐腐蝕性。由此看來，顏填料在防腐漆的應用中非常重要，合理利用顏填料的品種和顆粒形貌能有效的提升漆膜的性能[5]。但是，云母粉的吸油量較大，對涂料的流變性和穩定性影響較大，用量不宜過高。綜合考慮，復配使用重質碳酸鈣(20%)和滑石粉(8%)制備的水性丙烯酸底漆具有較高的性價比。

防銹顏料是水性防腐底漆重要的組成部分，它與體質顏料的協同效應，能大大的提升漆膜的后期耐腐蝕性。部分防銹顏料的防銹活性高，對水性漆的閃銹抑制性有一定的增強作用。在添加一定量防閃銹劑A的情況下，考察了鍶鉻黃及防銹顏料A、B、C對水性丙烯酸底漆性能的影響，測試結果如表5所示。

表5 防銹顏料的種類對涂料性能的影響Table 5 Effect of the type of antirust pigment on the properties of coatings

由表5可知，埋弧焊比噴砂鋼板容易閃銹。同時，鍶鉻黃、防銹顏料A和B能提高涂料的抗閃銹性和耐鹽霧性能，尤其鍶鉻黃，而防銹顏料C的早期防銹性能不理想，且對漆膜的早期耐水性有負面影響。與鍶鉻黃相比，防銹顏料A和B的早期防銹活性不足，難以克服閃銹問題。鍶鉻黃的防銹活性高，能迅速在基材表面形成有效的保護膜[6]，但含六價鉻。因此，本文選用防銹顏料B主要防銹顏料，鍶鉻黃作為輔助防銹顏料。

2.3 防閃銹劑對漆膜性能的影響

目前，水性漆主要通過添加防閃銹劑解決鋼構件的焊縫閃銹，如亞硝酸鹽、磷酸鹽、苯并三唑和有機螯合物等等。防閃銹劑的種類和用量對水性漆的抗閃銹性和漆膜的耐久性有較大的影響。在添加一定量防銹顏料B和鍶鉻黃的情況下，考察了亞硝酸鈉、防閃銹劑A、B和C四種閃銹劑對水性丙烯酸底漆性能的影響，測試結果如表6所示。

表6 防閃銹劑種類對涂料性能的影響Table 6 Effect of the type of anti-flash rust agent on the properties of coating

由表6可知，防閃銹劑A、B的閃銹抑制效果優于防閃銹劑C，而防閃銹劑C優于亞硝酸鈉。同時，防閃銹劑A 和C有助于提高漆膜的抗鹽霧性能，防閃銹劑B對漆膜的耐水性有明顯的負面影響。綜合表5和表6，搭配使用防閃銹劑和防銹活性高的防銹顏料能夠更好地抑制腐蝕的產生，保證水性漆的施工可靠性。

2.4 pH調節劑對漆膜性能的影響

pH 值對水性漆貯存穩定性、施工性及漆膜性能有較大的影響。對此，本論文選擇了4種不同的pH調節劑進行比較，結果如表7所示。

表7 pH調節劑種類對涂料及漆膜性能的影響Table 7 Effect of the type of pH regulator on the properties of coating

DMEA和氨水是常用的pH調節劑，能有效地提高水性漆的貯存穩定性，但氣味較大。pH調節劑A和B為多功能助劑，含有抗閃銹組分，氣味較小。由上表可知，相對于無pH調劑配方，含pH調節劑的漆具有較好的穩定性和早期抗銹能力。氨水、DMEA、pH調節劑A和B的pH調節效率依次增高，其中DMEA和pH調節劑A對漆膜的早期耐水性沒有明顯的影響。本文選用pH調節劑A，以提升漆的綜合性能。

3 結 論

在環保新常態的引領下，低VOC的水性漆具有巨大的發展空間，高性能、環保化和低成本已成為水性防腐漆的發展方向。對于金屬用水性防腐漆，底漆是涂料配套體系中重要的涂層，要求它對基材有優異的附著力以及良好的早、后期耐腐蝕性。目前，輕防腐水性漆用高效無毒的防銹顏料亟待開發，為綠色環保水性漆助力。