秦少雄，晏高翔 (長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

水性丙烯酸酯類防腐涂料性能研究

秦少雄，晏高翔 (長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

在水性乳膠涂料配方基礎(chǔ)上，引入復(fù)合鐵鈦粉和改性磷酸鋅等防腐顏料制備出水性丙烯酸酯類乳膠防腐涂料，考察了不同配方防腐涂料的耐鹽霧性能。結(jié)果表明，在保證涂料的基本性能符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，當(dāng)丙烯酸乳液25%wt、復(fù)合鐵鈦粉25%wt、改性磷酸鋅25%wt、pH值為8時(shí)其綜合性能最好，最終將涂料的耐鹽霧性提高到408h時(shí)。

水性丙烯酸乳液；復(fù)合鐵鈦粉；改性磷酸鋅；耐鹽霧性

我國(guó)每年因金屬材料的腐蝕造成超過5000億元的損失，鋼鐵作為最主要的金屬材料，其腐蝕防護(hù)具有非常重要的意義，特別是在沿海城市鹽霧嚴(yán)重地區(qū)和酸雨及環(huán)境污染嚴(yán)重地區(qū)[1]。采用涂料涂裝防止金屬腐蝕是應(yīng)用最廣泛、最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段[1]。而溶劑型涂料對(duì)于人類自身及生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重威脅日益明顯，綠色涂料代替溶劑型涂料成為必然。水性涂料因?yàn)榫哂衼碓捶奖?、易于凈化、低成本、低粘度、無毒性、無刺激、不燃性及良好的涂布適應(yīng)性等特點(diǎn)，已成為未來的主要發(fā)展方向[2]。水性丙烯酸涂料是最常見的水性涂料之一，由于其自身防腐性能較差，在戶外及腐蝕性環(huán)境中的使用受到限制。為此，筆者試圖通過水性丙烯酸涂料的改性，以提高水性丙烯酸涂料的防腐性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1藥品及儀器

1)藥品 水性丙烯酸乳液(北京通海工貿(mào)有限公司)；WD-S-800復(fù)合鐵鈦粉(萬(wàn)達(dá)科技無錫有限公司)；改性磷酸鋅，自制；分散劑、消泡劑、增稠劑、成膜助劑、去離子水。

2)儀器 QXG線棒涂膜器(天津市精利材料試驗(yàn)機(jī)廠)； SF智能型分散砂磨機(jī)控制儀(上海微特電機(jī)有限公司)；KH-120精密型鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)(上海榮珂檢測(cè)儀器有限公司)。

1.2涂料試樣制備

按配方稱量藥品，將分散劑溶于一定量去離子水?dāng)嚢?，依次加入水性丙烯酸乳液、?fù)合鐵鈦粉、滑石粉、鈦白粉、高嶺土、改性磷酸鋅，攪拌均勻，然后用砂磨機(jī)將上述混合物砂磨至50μm以下，調(diào)節(jié)pH值，在攪拌狀態(tài)下加入消泡劑、成膜助劑、增稠劑，并用去離子水調(diào)節(jié)粘度，經(jīng)200目濾網(wǎng)過濾，即得涂料樣品。

按照GB/T1771-91標(biāo)準(zhǔn)在鋼板上制作好試樣，以石蠟和松香1∶1的混合物封邊，以備后續(xù)所需。

2 結(jié)果與討論

2.1正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

選用復(fù)合鐵鈦粉和改性磷酸鋅作為主要防腐顏料，而丙烯酸乳液是主要成膜基料，pH值則對(duì)涂料的成膜性能及防腐顏料的防腐效果具有重要的影響。因此，筆者選取改性磷酸鋅用量(A)、涂料pH值(B)、復(fù)合鐵鈦粉用量(C)、丙烯酸乳液用量(D)等4個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)4個(gè)水平級(jí)(見表1)，按正交試驗(yàn)L16(44)表配方對(duì)涂料的耐鹽霧性能進(jìn)行了考察，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平表

通過正交表數(shù)據(jù)分析，極差R3gt;R2gt;R1gt;R4，復(fù)合鐵鈦粉的用量對(duì)防腐性能的影響最大，涂料pH值和改性磷酸鋅用量對(duì)防腐性能的影響次之，丙烯酸乳液用量的影響最小，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，選擇A3B3C2D1方案為基礎(chǔ)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

2.2防銹顏料的選擇與確定

防銹顏料在改善涂料的防腐性能中起到重要作用。由于單一防銹顏料的防腐性能有限[3]，經(jīng)過反復(fù)多次試驗(yàn)，最終確定了改性磷酸鋅和復(fù)合鐵鈦粉搭配使用的復(fù)合型防銹顏料效果最好。

表2 正交試驗(yàn)及極差分析

1)復(fù)合鐵鈦粉用量的影響 選擇如下基礎(chǔ)配方：丙烯酸乳液25%wt、改性磷酸鋅5%wt、pH值為8，改變復(fù)合鐵鈦粉的用量進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)考查了復(fù)合鐵鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)涂料耐鹽霧性能的影響，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，隨著復(fù)合鐵鈦粉用量的增加，涂料的耐鹽霧性能先升高后降低。當(dāng)復(fù)合鐵鈦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到一定程度，其形成的牢固地附著在鋼鐵表面能夠有效阻隔有害物質(zhì)對(duì)鋼鐵表面侵蝕的磷化膜已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)致密的程度，繼續(xù)增加復(fù)合鐵鈦粉的用量不但達(dá)不到增強(qiáng)防腐性能的效果，反而由于顏料填料的增多導(dǎo)致基料占比的下降漆膜的附著力和封閉性下降，水分和氧氣等腐蝕性物質(zhì)能夠很快穿透膜層，加快鋼結(jié)構(gòu)表面腐蝕，導(dǎo)致涂料的防腐性能下降。

2)改性磷酸鋅用量的影響 選擇如下基礎(chǔ)配方：丙烯酸乳液25%wt、復(fù)合鐵鈦粉25%wt、pH值為8，改變改性磷酸鋅的用量進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)考查了改性磷酸鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)涂料耐鹽霧性能的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知隨著改性磷酸鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂料的耐鹽霧性逐漸提高，當(dāng)改性磷酸鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3%，涂料的耐鹽霧性提高率有所趨緩。主要原因是當(dāng)改性磷酸鋅足夠在金屬表面形成完整的化合物覆蓋膜之后，繼續(xù)增加改性磷酸鋅的用量對(duì)形成的化合物覆蓋膜的影響不是很明顯，而主要依靠形成難溶性絡(luò)合物提供陰極保護(hù)作用來提高防腐性能，從而導(dǎo)致涂料的耐鹽霧性提高率有所放緩。

圖1 復(fù)合鐵鈦粉用量對(duì)耐鹽霧性的影響

圖2 改性磷酸鋅用量對(duì)耐鹽霧性的影響

2.3水性丙烯酸乳液的用量對(duì)耐鹽霧性的影響

圖3 水性丙烯酸乳液用量對(duì)耐鹽霧性的影響

水性丙烯酸乳液是涂料的主要成膜物質(zhì)，選擇合適的用量是配方設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果水性丙烯酸乳液用量過少將影響涂料成膜的連續(xù)性，從而影響涂料的耐洗刷性和耐沖擊性，無法保證涂料的耐鹽霧性；而用量過多則會(huì)影響防腐顏填料的占比，也會(huì)降低涂料的防腐性能。選擇如下基礎(chǔ)配方：復(fù)合鐵鈦粉25%wt、改性磷酸鋅5%wt、pH值為8，改變水性丙烯酸乳液的用量進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)考查了水性丙烯酸乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)涂料耐鹽霧性能的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，隨著水性丙烯酸乳液的增加，涂料的耐鹽霧性能先提高后逐漸下降，隨著水性丙烯酸乳液的增加，使得防腐顏料顆粒被乳液完全包裹，影響了防腐顏料成膜的連續(xù)性，從而導(dǎo)致防腐涂料的耐鹽霧性能下降。

2.4pH值對(duì)耐鹽霧性的影響

表3 不同pH條件下涂料的耐鹽霧性

涂料的pH值對(duì)涂膜的成膜性及防腐顏料的附著力等有關(guān)性能都有重要的影響，從而影響涂料的耐鹽霧性。筆者以氨水溶液調(diào)節(jié)涂料的pH值，研究了pH值對(duì)涂膜耐腐蝕性的影響，選擇基礎(chǔ)配方如下：丙烯酸乳液25%wt、復(fù)合鐵鈦粉25%wt、改性磷酸鋅5%wt，改變涂料pH值進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)選用氨水調(diào)節(jié)涂料的pH值，結(jié)果見表3。由表3可以看出，涂料偏酸性或偏堿性條件下比中性條件下的耐鹽霧時(shí)間較長(zhǎng)，且堿性條件下比酸性條件下的耐鹽霧性能有明顯提高。當(dāng)pH值為8時(shí)涂料的耐鹽霧時(shí)間為408h。由于涂料中存在一定數(shù)量的M(H2PO4)2及不溶性的MHPO4(M為二價(jià)金屬離子)[4]，鋼片與涂料的界面處會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：M(H2PO4)2?MHPO4+H3PO4。當(dāng)pH值升高到8時(shí)反應(yīng)持續(xù)自左向右進(jìn)行，生成MHPO4，而H3PO4與鋼片表面的鐵原子反應(yīng)生成Fe(H2PO4)2。這些不溶性的MHPO4在鋼片表面與Fe(H2PO4)2共同形成一層牢固的保護(hù)膜，使得涂料的耐鹽霧性大幅提高。當(dāng)pH值繼續(xù)升高，膜層的穩(wěn)定性將被破壞，從而使防腐性能降低。

2.5PVC的確定

圖4 PVC對(duì)耐鹽霧性的影響

考察了PVC(顏料體積濃度)對(duì)涂料耐鹽霧性能的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著PVC的增加，耐鹽霧性能先逐漸增高后逐步下降，當(dāng)PVC在30%～40%的范圍內(nèi)，涂料耐鹽霧性沒有明顯變化。這主要是因?yàn)殡S著顏填料的不斷增多，使得基料量占比下降，漆膜的附著力和封閉性下降，隨著涂料中PVC含量的增高,漆膜結(jié)構(gòu)由連續(xù)致密變?yōu)榕钏啥嗫譡5]，從而導(dǎo)致涂料容易被侵蝕其防腐性能下降。

2.6基本性能測(cè)試結(jié)果

選取丙烯酸乳液25%wt、復(fù)合鐵鈦粉25%wt、改性磷酸鋅5%wt、pH值為8的水性防腐涂料進(jìn)行基本性能測(cè)試，結(jié)果如表4所示，其基本性能均符合JG/T224-2007建筑用鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

從水性丙烯酸涂料的原材料分析、涂料剖析、涂膜形成過程分析等方面討論了影響涂料防腐性能的

表4 水性防腐涂料基本性能測(cè)試結(jié)果

各項(xiàng)重要因素：隨著復(fù)合鐵鈦粉用量的增加，涂料的耐鹽霧性能先升高后降低，最終確定復(fù)合鐵鈦粉用量為25%wt；隨著改性磷酸鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂料的耐鹽霧性逐漸提高，考慮到成本的影響改性磷酸鋅用量定為5%wt；隨著水性丙烯酸乳液的增加，涂料的耐鹽霧性能先提高后逐漸下降，丙烯酸乳液用量選取25%wt為宜。在保證涂料的基本性能符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，選取pH值為8，PVC在30%～40%的范圍內(nèi)，其綜合性能最好，涂料的耐鹽霧性提高到408h。新產(chǎn)品使得普通水性丙烯酸涂料在保持其原有各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，適用范圍有了明顯的擴(kuò)大，使用壽命明顯增強(qiáng)，尤其在在鋼結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域、溫暖潮濕地域以及海洋周邊等鹽含量較高地區(qū)，將發(fā)揮巨大作用。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.003

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A

1673-1409(2012)01-N006-03