0 引 言

在国外, 水性环氧防腐蚀涂料成为发展最快的水性防腐蚀涂料品种之一。然而水性环氧防腐蚀涂料的研究开发在我国相对滞后, 目前市场上还难以见到自主开发的比较成熟的水性环氧树脂商品, 其主要原因一方面是水性防腐蚀涂料的研究在我国起步晚, 另一方面则由于在水性环氧树脂的制备技术上比较欠缺, 并且它是热力学不稳定体系, 难以获得稳定性优良的环氧树脂水乳化体系。因而环氧树脂的水乳化技术是水性环氧防腐蚀涂料制备的重点及难点 中国建材网cnprofit.com。

本工作将水性环氧树脂的优点与常温固化涂料的优点相结合, 研制了一种适用于各种机械的常温固化水性环氧树脂涂料, 该涂料可赋予被涂材料以新的表面性能, 使其符合特定的应用场合 。

1 实验部分

1. 1 试样

试样为低碳钢, 50 mm X 50 mm X 5 mm。

1. 2 主要原料与仪器

环氧树脂Epon828: 工业品, 无色透明粘稠液体, Shell Chemical ( 美国壳牌) ; 环氧树脂Epon1001: 工业品, 白色颗粒, Shell Chemical( 美国壳牌) ; 二乙烯三胺: 化学纯, 无色透明粘稠液体, 长沙市化工研究所; 丁基缩水甘油醚: 工业品, 无色透明粘稠液体, 长沙市化工研究所; 多支链单环氧化合物: 工业品, 无色透明粘稠液体, 长沙市化工研究所;丙酮: 分析纯, 无色透明液体, 天津市化学试剂六厂;

钛酸酯偶联剂( NDZ-311W) : 分析纯, 褐色透明粘稠液体, 南京曙光化工总厂; Foamaster1121 消泡剂:分析纯, 无色透明液状, 德国汉高; Levelling 620 缔合型流平剂: 分析纯, 无色透明液体, 德国汉高; 滑石粉( 800 目) , 国产; 氧化铁( 600 目) , 国产; 钛白粉( 600 目) , 国产。

SS16 型液体喷砂机, FQIO 盐雾腐蚀实验箱,漆膜冲击器( QCJ 型) , 漆膜柔韧性测定仪( 漆53-4型) , 漆膜磨耗仪( JM- IV) 等。

1. 3 实验方法

( 1) 基材预处理 试验中的低碳钢试样采用喷砂处理。选用棱角多、硬度适中、8 0 目的石英砂为磨料。以0. 5~ 0. 6MPa 干燥洁净压缩空气为动力,喷距为150 mm, 喷射角为30b~ 75b, 将磨料高速喷射到试样表面, 将表面杂质彻底地清除并使表面粗化, 使涂层与基体有良好的附着力。

( 2) 反应型环氧树脂乳化剂的制备 将一定环氧当量的环氧树脂Epon1001 和一定分子量的聚乙二醇以1: 1 摩尔比加入到装有搅拌器的四口烧瓶中, 加入一定量的溶剂, 在90℃ 时加入催化剂, 保温数小时, 再将温度在半小时内降至50℃ , 得到一颜色浅黄的黏度较大的液体。冷却至室温时, 产物呈蜡状固体或高粘度液体。

( 3) 水性环氧树脂乳液的制备 将一定量的环氧树脂Epon1001 和乳化剂置于一装有螺旋桨搅拌器的500 mL 三口烧瓶, 加入适量乙二醇单丁醚, 加热至75 ℃ , 混合均匀, 滴入计算好的体积的水, 以5%/ 2 min 滴入, 以实验室搅拌器最高转速进行搅拌。加水完后, 继续搅拌20 min, 再冷却至20℃ 。

( 4) 自乳化型固化剂的制备 在装有搅拌器,加热套, 冷凝器和温度计的500 mL 的四口烧瓶内,加入一定量的Epon828 和二乙烯三胺搅拌, 加热升至90~ 100℃ , 保温2 h, 制得环氧树脂-胺加成物,加入单环氧化合物或丙烯晴化合物, 升温至70~ 80℃ , 保温3 h, 最后在50~ 60℃ 时加入醋酸或去离子水, 保温1. 5 h, 乙酸中和得到自乳化型固化剂。

( 5) 室温固化水性环氧树脂涂料制备工艺 称取所需的水性环氧树脂乳液, 高速搅拌10 min; 添加所需量的钛白粉、氧化铁、滑石粉。高速搅拌30min; 缓慢加入钛酸酯偶联剂NDZ-311W, 搅拌30min; 缓慢加入Fo amaster111 消泡剂, 搅拌30 min;缓慢加入Lev elling620 缔合型流平剂, 搅拌30 min;待填料分散均匀后静置待用, 配制好的涂料需要放置24 h 后, 进行性能测试和涂装。

( 6) 涂层性能测试及标准 根据国家标准GB/T 1768- 1979 测试涂层耐磨性; 根据GB/ T 1765-1979 测试涂层的耐盐雾性; 根据GB/ T 9286- 1988测试涂层附着力; 根据GB/ T 6739- 1988 测试涂层的硬度; 根据GB/ T 1728- 1979 测试涂层的干燥时间; 根据GB/ T 1763- 1979 测试涂层的耐化学试剂性; 根据GB/ T 1731- 1993 测试涂层的柔韧性; 根据GB/ T 1732- 1993 测试涂层的耐冲击性。

( 7) 乳液的结构与表征 (1) 环氧基的测定。采用盐酸-丙酮法( H G 2-741- 72) 。在丙酮溶剂中使用过量的盐酸与环氧基团作用生成氯醇, 再用碱滴定过量的盐酸。

试验结果表明环氧基在反应过程中已全部反应。(2) 乳状液的透射电镜( T EM) 图谱分析见图1。可以看出粒子粒径1~ 2 um。同时可以看出粒子为核壳结构, 证明合成出的粒子达到预期设计的结构。(3) 环氧树脂水乳化体系的稳定性。在该体系中加入疏水性胶体物质做保护剂可以显著提高乳业的稳定性。经试验发现在乳液中加入聚乙稀吡咯酮乳液稳定性大于180 天, 至今没有分层现象。(4)VOC 含量分析: 根据HBC12- 2002 环境标志产品认证技术要求, 本试验仅在反应型环氧树脂乳化剂的制备过程中引入易挥发的有机溶剂丙酮。但在水性环氧树脂乳液的制备过程中已经除去( 75℃ ) 。而本实验中主要反应为加成和缩聚反应, 没有易挥发的有机物质生成, 故本体系中VOC 含量超低。本试验未使用重金属及其氧化物作为颜填料,所用颜填料皆为无毒、不易分解、非易燃易爆、高纯度的均匀固体物。其中钛白粉有很好的粘附力, 对于提高涂层的附着力有很好的帮助; 氧化铁能显著提高涂层的耐光和耐热性能。

乳状液粒子透射电镜图像

2 正交试验与结果分析

采用四因素三水平L9 ( 43 ) 正交试验设计, 水性环氧树脂为定量10 g, 考察自乳化型固化剂、滑石粉、氧化铁和钛白粉对涂层主要性能的影响, 通过极差分析筛选出最佳配方。

2. 1 正交试验与极差分析表

正交试验结果见表1。综合后最优配方为: 固化剂4 g, 滑石粉0. 6 g , 氧化铁0. 6 g, 钛白粉0. 6 g。追加一次试验, 得出优化配方的性能为: 粘度16 s,耐冲击性5 0cm , 柔韧性1mm, 硬度3H , 附着力95% , 磨耗量0. 023 g, 表干5 h, 实干36 h。

正交试验结果及分析

2. 2 耐腐蚀性能

室温盐水浸泡试验: 3%N aCl 溶液中, 浸泡电位- 0. 77 V , 360 h 漆膜无变化。盐雾试验: 35b, 5%NaCl 溶液, 试片划长8 cm 夹角60b的叉型划痕, 480h 后划痕处完好。耐碱性试验: 室温, 电解质为15%的NaOH 溶液, 30 天时漆膜完好。

2. 3 各因素对涂层性能的影响分析

( 1) 硬度 由表1 可知, 随着氧化铁含量的增加, 涂层的硬度先减小后增大, 因为当氧化铁含量小于0. 5 g 时没有很好的均匀分散在树脂中, 当其含量继续增大时, 氧化铁作为硬质颗粒, 均匀分布在涂层的表面, 起支撑作用, 硬度增大。滑石粉在涂层中较易分散, 随着滑石粉含量的增加, 涂层的硬度有所升高。随着二氧化钛量的不断增加, 涂层的硬度先增加后减小, 因为当其过量时, 涂层表面就会形成一

些不均匀质点, 使表面能降低。随着固化剂用量的增加, 硬度不断升高, 在固化剂量达到一定值时, 硬度不再变化。

( 2) 附着力 随着氧化铁含量的增加, 涂层的附着力先增大后减小, 用量较少时, 涂层的表面颗粒较少, 当用量超过0. 5 g 时, 颗粒显著增加。滑石粉和二氧化钛均能提高涂层的附着力, 但其用量增加到一定数值后, 分散难度增加, 从而使涂层的附着力下降。附着力随着固化剂含量的增加亦呈先增大后减小的趋势。

( 3) 耐磨性 随着氧化铁含量的增加, 涂层的耐磨性明显增加, 氧化铁作为硬质颗粒有着很好的耐磨性。二氧化钛的增加也可以提高涂层的耐磨性, 但当用量超过0. 6 g 时, 分散不均匀。随着固化剂含量增加, 涂层耐磨性先增大后减小。采用适量的固化剂效果优良, 当其用量当达到4 g 以后, 涂层有出现粉化的趋势。随着滑石粉含量增加, 涂层耐磨性基本呈增大趋势, 滑石粉具有优异的减磨效果。

3 结 论

( 1) 通过正交试验得出最优配方: 固化剂4 g,滑石粉0. 6 g , 氧化铁量0. 6 g, 钛白粉0. 6 g。

( 2) 该涂层在室温条件下固化, 使用方便, 表干时间约为5 h, 完全固化时间为36 h。

( 3) 该涂层的硬度为3 H, 耐冲击性达50 cm,柔韧性为1 mm, 在碳钢表面的附着力达到1 级, 用漆膜磨耗仪JM- IV转2 500 圈磨耗量仅为0. 023 g。耐盐雾性为1 级, 电极电位在- 0. 77 V 以下可维持180 天。该涂层具有优异的耐水性和防腐蚀性能。

( 4) 该水性防腐蚀涂料的耐水性和电化学性能都达到了与溶剂性涂料相当的效果, 具有VOC 含量低、毒性小、无火灾危险性、涂装简便且安全卫生的特点, 同时降低了成本, 是一种具有广泛应用价值

的新型环保涂料。