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高性能水性環氧防腐涂料的研究

目前防腐領域所使用的重防腐涂料大多數都屬于高可揮發性有機物(VOC)含量涂料,涂料中的VOC通常對人體造成傷害,同時也具有可燃性,容易對環境和健康造成很大威脅。據統計,目前我國每年涂料涂裝行業排入到大氣的有機溶劑約為100萬t,不但會污染環境,也造成資源的大量浪費。2018年國務院發布關于《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》的通知。文件指出2020年7月1日起在重點區域,涂料、膠黏劑領域VOCs將納入環境保護稅征收范圍。關于VOCs限值,歐美發達國家在此之前對防腐蝕涂料已經出臺相關要求,歐盟在2013年要求VOCs含量為<300 g/L,美國在1998年要求VOCs含量為<450 g/L,我國國標(GB 30981-2014)提出VOCs含量為390~720g/L。

      水性涂料使用水來替換溶劑型涂料中的有機溶劑,大的優勢是VOC含量低,環保性好,是未來防腐涂料的重要的一個發展方向。美國、歐洲等國家和地區很早之前已經開始大范圍推廣使用水性防腐涂料,該涂料占防腐涂料總量的50% 以上,而我國作為防腐涂料制備和涂裝的大國僅在10%左右。因此,研制出高性能水性防腐涂料已勢在必行。

      水性環氧防腐涂料是現階段廣泛用于工業腐蝕防護的一種高效涂料,目前的研究主要集中于對環氧樹脂改性、環氧樹脂與固化劑的相容性、顏填料和助劑的應用以及水性環氧樹脂乳液生產工藝的改進等方面。但所制備的水性環氧防腐涂料存在交聯密度低、容易閃銹、耐強酸或強堿性能差等種種問題。

本研究使用高環氧當量水性環氧乳液和低環氧當量水性環氧乳液復配,以氨基樹脂固化劑,研制了一種高性能、低VOC的水性防腐涂料,具備優異的耐高溫、耐各種化學品性等性能,在散熱器、水箱及鋼結構等領域有廣闊的應用前景。1涂料制備

(1)研磨顏料漿在配料缸中依次加入去離子水、分散劑、潤濕劑、顏料、填料,攪拌均勻后,倒入實驗室用小型砂磨機中,加入適量鋯珠,研磨分散到刮板細度20 μm以下,靜置消泡后,過濾出料,得到涂料水性顏填料漿。

(2)涂料制備在配料缸中加入的水性環氧乳液、氨基樹脂及催化劑按配方量分散均勻,然后加入制備的水性顏填料漿,攪拌狀態下加入消泡劑、流平劑等助劑,分散均勻; 后加入適量水,調整黏度得到水性環氧防腐涂料。參考配方如表1所示。

1 水性環氧防腐涂料配方

圖片1.png

(3)施工工藝

施工工藝包括噴涂和烘烤,工序為:在表面處理后的底材上噴涂制備好的水性防腐涂料,先在80 下烘烤 15min,然后升至 120下烘烤 25min, 后在180下烘烤30min,即得到試板。

2結果與討論

 

(1)樹脂對涂層防腐蝕性能的影響

水性環氧防腐涂料通常由親水性的環氧乳液和親水固化劑構成。與其他水性防腐涂料相比,由于水性環氧防腐涂料中的環氧樹脂含有環氧基、羥基等官能團,使其耐化學品性優異、耐熱性好、具有不錯的附著力,能滿足工業涂裝領域的不同施工要求,因此在防腐領域被大量使用。市場上常見的環氧樹脂-氨基固化劑體系,由于其交聯密度低,因此其耐溫、耐溶劑和耐化學品性能欠佳。在采用相同固化劑的情況下,水性環氧乳液的環氧當量越大,其交聯密度越高,耐化學介質性能越好。

本研究選用高環氧當量(g/Eq1600~2000)的水性環氧乳液(EPIKOTE 3540-WY-55)作為主體樹脂,但交聯密度大,涂層的力學性能會下降,同時施工后涂層在低溫下密閉放置容易發生開裂。水性環氧乳液樹脂(CTW-6062)為固體環氧樹脂經乳化工藝制備而成的環氧乳液,其環氧當量(g/Eq9101020),廣泛用于金屬底材的防腐涂裝。

因此,本實驗選用水性環氧乳液(EPIKOTE 3540-WY-55)與水性環氧乳液樹脂(CTW-6062)進行復配,通過試驗得到 2種樹脂的 佳質量比,結果見表2。

2不同樹脂比例對涂膜性能的影響圖片2.png

由表2和圖1可知,當水性環氧乳液(EPIKOTE 3540-WY-55)的加量較多時,涂膜的力學性能較差,同時低溫(5)密閉放置后,涂層也容易發生開裂。當體系中引入適量的低環氧當量環氧乳液(CTW-6062)時,力學性能有所提高,低溫不開裂,但耐酸性能有所下降。圖2EPIKOTE 3540-WY-55CTW-6062質量比分為7:33:7時,耐10%HCl 16d后的外觀圖。

圖片3.png

從圖2可以看出,CTW-6062加量太大時,涂層被酸浸泡后有明顯的發白現象,這可能由于CTW-6062加量提高后涂層的交聯密度降低,導致耐酸性能變差??紤]到CTW-6062加入到體系中會降低涂層的交聯密度,因此在保證涂層低溫不開裂的前提下,需要盡量降低其用量。綜上所述,選擇水性環氧乳液(EPIKOTE 3540-WY-55)與水性環氧乳液(CTW-6062)質量比為7:3時,涂膜綜合性能優異。因此,選擇mEPIKOTE 3540-WY-55mCTW-6062)為7:3。

(2)固化劑種類對涂層防腐蝕性能的影響

目前氨基樹脂作為固化劑主要包括不同醚化種類和不同醚化度的三聚氰胺甲醛樹脂,如:高度甲醚化三聚氰胺樹脂(CYMEL 303、CYMEL 350)、高亞胺基甲醚化三聚氰胺樹脂(CYMEL 325、CYMEL 327)、部分甲醚化三聚氰胺樹脂等。

本研究對不同種類甲醚化三聚氰胺甲醛樹脂進行了考察。根據不同固化劑的使用要求,在使用固化劑CYMEL 303、 CYEML 350時添加1% CYCAT 4040,其余情況未加催化劑,結果見表 3。

3不同種類氨基樹脂對漆膜性能的影響

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從表3可以看出,CYMEL 303、CYMEL 350,其固含量相對較高,釋放的VOC低。CYMEL 325、CYMEL 327其結構中含有大量烷氧基/亞胺基等功能基團,無需外加酸性催化劑即可固化,漆膜硬度高,但固化膜柔韌性相對較差,VOC 含量偏高,同時耐介質性能較差。CYM EL303CYM EL350均為高度甲醚化三聚氰胺樹脂,但CYM EL350甲基化程度比CYMEL 303低,其除烷氧基外還含有一定量的羥甲基和亞氨基,耐介質性能相對較差。結果表明,選用CYMEL 303作為固化劑綜合性能較優。

(3)顏基比對涂層防腐蝕性能的影響

顏基比(P/B)是重防腐涂料配方設計中不可忽視的因素。當顏基比低時,對樹脂和固化劑的填充程度較低,導致涂料體系的致密性較低,因此耐腐蝕介質滲透性下降,耐化學品性能會部分下降,且涂料成本上升;若顏基比過高,顏填料無法被樹脂完全包覆,部分顏填料顆粒游離在樹脂空間結構空隙之外,導致涂層與基材之間的結合受到影響,其他耐性以及物理機械性能也會下降。以水性環氧乳液EPIKOTE 3540-WY-55、CTW-6062作為水性涂料基體樹脂,選擇CYMEL 303作為固化劑,保持其他組分含量不變,通過試驗調整涂料顏基比,選擇 優條件下的顏基比,結果見表4。

顏基比對涂料性能的影響圖片5.png

從表 4可以看出,發現顏基比>時,耐水、耐鹽酸變差;顏基比為0.2時,耐水性能、耐酸性能有部分提高,但涂料成本較高;因此,在保存一定的力學性能及耐化學介質性能的情況下,顏基比為0.6時綜合性能較優。

(4)防閃銹劑對涂層防腐蝕性能的影響

水性性涂料在基材表面干燥時,容易產生閃銹。添加防閃銹劑能夠抑制腐蝕產生。實驗過程中考察不同防閃銹劑對性能的影響。實驗結果見表5。

防閃銹劑對涂料性能的影響

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由表5可知,亞硝酸鈉為水性防腐涂料 為常用的防閃銹助劑,由于閃銹現象是一般都由電化學作用引起的,使用這類具有還原性的物質來釋放負電荷對金屬基材的防銹有很大的幫助,加量為配方總重量的0.2%時即可抑制閃銹,但這類物質由于離子性太強,大量添加導致漆膜耐水性明顯變差。Raybo 60是含有有機鋅螯合物和亞硝酸鈉鹽混合物,防銹能力較單獨使用亞硝酸鈉稍差,加量0.5%時即可抑制閃銹,但加入后依然會導致耐水性能下降。

FA-179為有機鋅螯合物,添加后對涂層耐水性影響不大,但防閃銹能力較差,在加量1%時才能完全抑制閃銹。EMADOX ? 2K HE為雙組分防閃銹劑,分為2K/12K/plus,兩組分需在攪拌下分別加入到涂料中,2K/1含有亞硝酸鹽,2K/plus中含有具有疏水長鏈的有機胺,由于疏水鏈段的存在使其對漆膜耐水及耐鹽霧等性能影響不大,在加量為0.2%(兩組分質量比1:1)時具有優異的防閃銹效果。因此,選擇EMADOX ? 2K HE作為防閃銹劑較優。

(5)水性環氧防腐涂料性能

根據以上討論結果,研制得到性能優異的水性環氧防腐涂料。性能測試結果見表6。

水性環氧防腐涂料主要性能

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