双组分水性环氧防腐涂料

1 钢结构用水性环氧防腐底漆的研制

摘要 采用水性环氧固化剂乳化固化液体环氧树脂技术路线，制备钢结构用水性双组分环氧防腐底漆。该底漆VOC含量低、气味和毒性小，漆膜附着力强，耐水、耐碱、耐盐雾性能好。其性能可以达到溶剂型环氧底漆水平，成本与溶剂型环氧底漆相当。 A waterborne epoxy anti-corrosion primer was prepared in technology of emulsifying and curing with water-borne epoxy hardener. Containing less VOC, this primer is less odorous and toxic. Resistance of the film to water, alkali and salt spay is excellent. The performances of waterborne epoxy primer are as good as solvent-borne epoxy primer. And the cost is equivalent to solvent-borne primer. 1 引言 传统的钢结构用防腐底漆多为溶剂型涂料，其中有机溶剂含量一般达到涂料成品量的40-60%左右。使用时为便于施工还常加入10-20%的溶剂稀释。这些溶剂在涂料施工过程中要挥发出来，造成资源浪费、环境污染，危害施工和使用人员健康，并产生火灾隐患。近年来世界各国涂料行业加紧对低VOC排放的环保型涂料的研究，水性防腐涂料大大减少甚至完全消除了VOC排放，而且使用安全方便，得以迅速发展。单组分水性防腐涂料采用的基料聚合物乳液多为热塑型，漆膜硬度、耐介质性、耐污染等性能难以达到溶剂型工业涂料水平。因而近年来人们开始致力于双组分水性防腐涂料的研究。双组分水性环氧防腐涂料可以室温交联固化，附着力强、机械强度高、耐化学介质性能好，其性能可以达到溶剂型环氧涂料水平，因而可以替代溶剂型环氧防腐涂料，应用于钢结构防腐。 九十年代初，壳牌、BASF、日本三和分别开发出水性环氧固化剂。并在刚结构防腐涂料、混凝土结构防腐涂料、地坪漆方面成功应用。近年来，国内 2

一些公司、研究单位开始研究开发水性环氧乳液、水性环氧固化剂和双组分水性环氧树脂涂料。例如苏州圣洁特种树脂有限公司的水性环氧固化剂，浙江安邦新材料发展有限公司的水性环氧乳液和水性环氧树脂固化剂；海洋化工研究院的水性环氧乳液和水性环氧固化剂，都已用于钢结构防腐涂装工程。国内水性环氧乳液和水性环氧固化剂价格显著低于进口产品，但在贮存稳定性、产品性能方面较国外大公司的产品还有一定差距。 水性环氧涂料根据环氧树脂乳化方式的不同分为施工现场自乳化（Ⅰ型）和事先制备环氧乳液（Ⅱ型）两条路线。Ⅰ型采用水稀释型环氧固化剂为基料制备涂料A组分，以采用活性稀释剂（或溶剂）稀释的环氧树脂为B组分，施工前将两组分混合，搅拌自乳化后施工；Ⅱ型采用水稀释型环氧固化剂或固化剂乳液为基料制备涂料A组分，以环氧树脂乳液为B组分，施工前将两组分混合，搅拌均匀后施工。两种路线的水性环氧底漆各有特色：Ⅰ型的水性固化剂为胶体溶液或微乳胶，采用的环氧树脂分子量一般也较低，涂料渗透性好，漆膜附着力强。液体环氧树脂可以直接使用或采用活行稀释剂（或溶剂）稀释后使用，涂料成本较低。后者由于环氧树脂是乳化而不是溶解于水中，在不影响涂料施工性能的情况下，可以选用较高分子量的环氧树脂，涂料施工时表干快，所得漆膜柔韧性、机械强度和耐磨性好，但由于使用环氧乳液为基料，涂料成本较高。本文采用Ⅰ型路线。

2 实验部分 2.1 主要原材料 （1）水性环氧固化剂： WEC-402，海化院；8537-WY-60，HEXION；WH-900，WH-1000，三和。 （2）环氧树脂：SM618，江苏三木；EPON-828，壳牌。 （3）活性稀释剂：H-8活性稀释剂，壳牌。 （4）颜填料：铁红、磷酸锌、三聚磷酸铝、沉淀硫酸钡、滑石粉。 3

（5）助剂：毕克公司、科宁公司、COTEX公司产品。 2.2 水性环氧底漆的制备 2.2.1 涂料配方

A组分： 原材料名称 重量分 水性环氧固化剂 150-250 去离子水 200-400 消泡剂 1-2 铁红 150-200 滑石粉 50-100 沉淀硫酸钡 100-200 磷酸锌 10-50 三聚磷酸铝 10-50 流变助剂 5-10 闪蚀抑制剂 5-10 流平剂 1-3

B组分： 原材料名称 重量分 环氧树脂 160-180 活性稀释剂 20-40

两组分配比： A组分:B组分=4:1（重量比） 2.2.2制备工艺 A组分制备工艺： 先将部分水性环氧固化剂与消泡剂、水预混，然后加入颜填料，经砂磨机研磨至细度合乎要求，制得色浆。在搅拌状态下，向制得色浆中加入配方中剩余水性环氧固化剂、闪蚀抑制剂、触变剂及流平剂，搅匀、过滤。 B组分制备工艺： 将配方量的环氧树脂与活性稀释剂搅拌均匀。 2.3 涂膜性能测试 4

涂膜性能按相应的国家标准进行测试。 3 结果与讨论 3.1 不同水性环氧固化剂的影响 配方中其它因素不变，采用不同的水性环氧固化剂，实验结果见表2。 表2 不同环氧固化剂对漆膜性能的影响 环氧固化剂 A B C D 附着力，级 1 1 1 1 柔韧性，mm 2 2 2 2 冲击强度，cm 50 40 40 50

盐雾试验，h 起泡 500 600 500 300 反锈 >500 >500 >500 >500

注：A、B、C、D、E分别为WEC-402、8537-WY-60、WH-900、WH-1000。 由表1可见，各种水性环氧固化剂制得底漆都有极好的附着力和物理机械性能，防锈性能也都很优秀。盐雾试验的破坏主要表现为起泡，防起泡的效果顺序为8537-WY-60> WEC-402，WH-900> WH-1000。 3.2 颜料体积浓度对涂膜性能的影响 以SM618环氧树脂+H8活性剂和WEC-402水性环氧固化剂为基料，颜填料选用铁红、沉淀硫酸钡、滑石粉、磷酸锌和三聚磷酸铝，研究了不同颜料体积浓度（PVC）对涂膜耐盐雾性能、耐冲击性能的影响，结果分别见表3。

表3 不同颜料体积浓度对漆膜性能的影响 颜料体积浓度,% 20 25 30 35 40 45 50

冲击强度，kg.cm 正冲 50 50 50 50 50 40 30 反冲 50 50 50 50 40 30 20

盐雾试验, h 起泡 300 400 >500 >500 >500 >500 >500 反锈 >500 >500 >500 >500 >500 400 360

由表3可见，颜料体积浓度介于20-35%时，漆膜耐冲击强度正冲、反冲都较好；颜料体积浓度大于40%时，漆膜耐冲击性能降低。 颜料体积浓度在20-40%范围内，涂膜防腐性能没有明显变化；颜料体积浓度小于25%时，涂层有起泡倾向；颜料体积浓度大于40%时，防锈性 5

能下降，这是由于随着颜填料的增加，涂膜的封闭性降低，渗透性增加，从而导致防腐性能下降。 3.3 活性防锈颜料对涂料防腐性能的影响 由于以水为分散介质，水性涂料施涂于金属基体表面时容易产生瞬间锈蚀，即闪蚀现象，因此单靠惰性防锈颜料不能满足要求，必须和活性防锈颜料配合使用。活性防锈颜料在水性体系必须具有适合的溶解度。溶解度过高，涂膜遇水会产生较大渗透压，产生起泡现象；溶解度过低，则不能使基体金属有效钝化。活性防锈颜料对涂料防腐性能的影响见表4。 表4 防腐颜料对涂料防腐性能的影响 防锈颜料体系 涂膜防腐性 耐盐水（3%NaCl） 耐盐雾性 磷酸锌 168h涂膜起泡 240h后起小细泡 三聚磷酸铝 168h涂膜无变化 400h后起小细泡 三聚磷酸铝+磷酸锌 168h涂膜无变化 400h后起无变化 三聚磷酸铝+磷酸锌+锌黄 168h涂膜无变化 500h后无变化

表3结果表明，水性环氧树脂体系与三聚磷酸铝+磷酸锌+锌黄配合时防腐性能较好。主要是由于三聚磷酸铝、磷酸锌和锌黄配合有协同增效作用，溶出的磷酸根、多聚磷酸根和铬酸根离子能起钝化作用，既解决了水性涂料在钢铁底材上施工时的闪蚀问题，成膜后又能缓慢释放缓蚀离子，与物理防锈颜料一起到长期的防腐作用。 3.4 水性环氧固化剂与环氧树脂配比对涂料性能的影响 水性环氧固化剂与环氧树脂的配比对水性环氧底漆的性能有较大影响。一方面，增大环氧固化剂和环氧树脂的当量比，有助于提高涂膜的固化速度和交联密度，从而有利于提高涂膜的干燥速度、附着力、耐溶剂性等。另一方面，对乳化固化型水性环氧涂料体系，由于水性环氧固化剂中含具有表面活性作用的链段，适当降低两者的配比，可改善涂膜的耐水性和耐盐雾性能。水性环氧固化剂与环氧树脂配比对涂料防腐性能的影响见表5。 6

表5 固化剂与环氧树脂当量比对涂料性能的影响

当量比 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 丁酮擦洗,次 70 >100 >100 >100 >100 >100 >100 >100

盐雾试验 500h 无变化 500h 无变化 500h 无变化 500h 无变化 500h 起泡 400h 起泡 300h 起泡 200h 起泡

耐盐水 168h 无变化 168h 无变化 168h 无变化 168h 无变化 168h 起泡 120h 起泡 120h 起泡 96h 起泡

实验结果表明，固化剂与环氧树脂当量比在0.9-1.05:1为宜。 3.5活性稀释剂用量对涂料性能的影响 由于环氧树脂粘度很大，为便于使用必须适当稀释。如果使用有机溶剂，会增加涂料的有机挥发物含量；活性稀释剂是粘度较低的含单环氧官能团的小分子量化合物，既能降低环氧树脂的粘度，与固化剂混合后又能与固化剂交联固化。但是，一方面活性稀释剂的价格较高，另一方面其用量对水性环氧涂料的固化速度和交联密度有较大影响，以下是水性环氧固化剂的活泼胺氢环氧树脂当量比在1:1.1条件下涂料的胶凝时间和漆膜固化48小时后的耐溶剂性。 表6 活性稀释剂用量对涂料性能的影响 项 目 活性稀释剂用量 5% 10% 15% 20% 30% 40% B组分粘度，s 430 265 143 97 45 25 胶凝时间，min 120 150 180 240 >240 24h不凝胶 耐甲乙酮擦洗，次 >100 >100 >100 70 30 10

综合考虑，活性稀释剂的用量以10-15%为宜。 3.6流变助剂对涂料性能的影响 流变助剂主要影响涂料贮存的抗沉降性能和施工过程的抗流挂性能。为提高涂装效率，水性环氧防腐涂料的单道干膜厚度要求在40-50微米以上，这就要求涂料有良好的抗流挂性能，我们对水性涂料常用的流变助剂进行了筛选，结果见表7。 试验结果表明，在水性环氧涂料体系中，膨润土有较好的防沉和抗流