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高防腐水性環氧富鋅涂料的制備及應用
文章作者admin: 時間:2022-03-23 08:27
孔凡桃
(浩力森涂料(上海)有限公司,上海 201802)
摘要:通過水性環氧分散體及改性胺固化劑、鋅粉含量及粒徑、防閃銹劑種類及用量等多個方案的研究,制備了低膜厚高防腐的水性環氧富鋅涂料。結果表明:水性環氧分散體自身穩定性和富鋅搭配穩定性非常重要,選擇800目鋅粉,含量占整個涂膜80%,涂膜的防腐性能最好;篩選解決閃銹問題又不影響耐鹽霧的防閃銹劑,加入量為0.3%,涂料綜合性能最好。
關鍵詞:水性環氧富鋅涂料;高防腐;低膜厚
0   引言
    隨著國家保衛藍天計劃的推進,涂料的水性化是大勢所趨,而水性化中防腐性能無法有效達到溶劑型涂料,是推進水性化的一個阻力,如何有效提高涂膜的防腐蝕性能成為研究的熱點[1-3],水性環氧富鋅涂料的高防腐性是必須攻克的難題。本文的研究重點是如何制備低膜厚下高防腐的水性環氧富鋅涂料。
    水性環氧富鋅涂料由于鋅粉與水會發生化學反應,導致鋅粉的失效,在鋅粉組分中不能含有水,現行業內有兩種制備方法:1)水溶性環氧樹脂和鋅粉作為甲組分,胺類固化劑作為乙組分;2)改性胺類固化劑和鋅粉作為甲組分,水性環氧分散體作為乙組分。第一種方案的特點是制漆工藝要求低,高防腐要求難達到,適用期短,產品施工要求高;第二種方案的特點是制漆工藝要求高,可以實現高防腐性要求,適用期長,產品施工要求低[4-6]。本文選擇第二種制備方式進行高防腐水性環氧富鋅涂料的研發。
1   試驗部分 
1.1   原材料與儀器設備
改性胺類固化劑、水性環氧分散體、鋅粉、滑石粉、磷鐵粉、分散劑、潤濕劑、水性防閃銹劑、消泡劑、觸變劑、硅烷偶聯劑。
 W101 巖田噴槍:日本巖田公司;Q-FOG鹽霧試驗機:美國翁開爾公司;附著力(拉開法)測試儀:美國DeFelsko公司;涂層測厚儀,英國Elcometer公司;劃格器,上?,F代環境工程股份有限公司。
1.2   試驗方法
1.2.1   水性富鋅涂料甲組分的制備
將改性胺類固化劑加入到容器中,依次加入分散劑、潤濕劑以及鋅粉、滑石粉、磷鐵粉、消泡劑、觸變劑,攪拌分散60 min后,在通冷卻水的條件下3 000 r/min 高速分散3 h,細度≤50 μm后,用240目的濾網過濾制得水性富鋅涂料甲組分。
1.2.2    水性富鋅涂料乙組分的制備
將水性環氧分散體加入容器中,依次加入水性防閃銹劑、硅烷偶聯劑,在1 000 r/min下攪拌分散40 min,細度<10 μm后,用360目的濾網過濾制得水性富鋅涂料乙組分。
1.2.3    水性富鋅涂膜的制備
將水性富鋅涂料甲組分和乙組分按照規定配比調漆,加去離子水稀釋,參照GB 1727—1992《涂膜一般制備法》中的制板方式進行測試樣板的制備,常溫流平15 min后,70 ℃烘烤40 min,然后常溫養護7 d后進行涂膜性能測試。
1.3   測試方法
參照GB/T 5210—2006進行涂膜的附著力(拉開法)測定;參照GB/T 9286—1998進行涂膜的附著力測定;參照GB/T 1733—1993《涂膜耐水性測定法》進行涂膜的耐水性測定;參照GB/T 1771—2007進行涂膜耐鹽霧性測定;參照GB/T 1740—2007進行涂膜耐濕熱性測定。
2   結果與討論
2.1   不同環氧分散體和改性胺類固化劑的選擇
水性環氧富鋅涂料的成膜物質對涂料性能具有決定性的影響,針對水性環氧分散體,在鋅粉涂料體系中混合不破乳是一項非常關鍵的指標。水性環氧分散體制備工藝主要分為自乳化和外乳化,自乳化穩定性好,細度小,外乳化穩定性差,細度大。對比了5款水性環氧分散體,技術指標見表1 ~ 2。
通過表1 ~ 2對比,分散體A自身細度(D50)就達到55 μm,放置150 d后細度增長到100 μm,調配涂料時直接破乳,常溫貯存性差,不適合富鋅體系;分散體B自身細度15 μm,放置150 d后細度增長到40 μm,常溫貯存性差,調配涂料不破乳;分散體C自身細度15 μm,放置150 d后細度增長到25 μm,調配涂料時細度110 μm,出現輕微破乳,不適合富鋅體系;分散體D自身細度5 μm,放置150 d后細度增長到10 μm,調配涂料時細度50 μm,自身乳液穩定性和對富鋅體系的適用性都很好;分散體E自身細度10 μm,放置150 d后細度增長到30 μm,調配涂料時細度50 μm,自身乳液穩定性稍差,與富鋅體系的適用性好。
改性胺類固化劑作為環氧富鋅體系中防腐性能和機械性能的重要成分,類型選擇非常關鍵。改性胺類固化劑種類有改性聚酰胺、改性脂環胺和改性芳香胺,而適合水性環氧富鋅體系的固化劑非常少,主要是因為:1)對于鋅粉的包裹能力和穩定性差異大;2)防腐性能和機械性能差異大。選擇水性環氧分散體廠家對應配套的胺類固化劑進行涂膜性能測試,結果見表3。
由表3可知,分散體A由于破乳,導致整個涂膜性能差;其余4個分散體耐鹽霧性排序為:分散體D優于E等于B優于C。結合表1 ~ 2的數據,國產分散體在自身穩定性和與富鋅體系的適用性上還需要持續改進,此次乳液和固化劑選擇進口的分散體D及其配套的改性胺作為后續配方的研發。
2.2   不同鋅粉含量以及鋅粉粒徑對涂膜性能的影響
不同鋅粉含量以及鋅粉粒徑對涂膜性能的影響見表4 ~ 5。
環氧富鋅體系的防腐機理是通過犧牲陽極鋅粉,從而保護陰極金屬基材,而涂膜中鋅的含量高低對防腐性能有明顯的影響,國標規定涂膜中鋅粉>60%以上的涂料才可以定義為富鋅涂料。通過表4的數據比對,涂膜的耐鹽霧性隨著鋅粉含量的增加先增加后降低,鋅粉含量從40%增加到80%時,耐鹽霧性從600 h增加到1 500 h,隨著鋅粉含量進一步升高到85%,耐鹽霧性下降到900 h,其他力學性能也有所下降,這主要是配方中PVC太高,成膜物無法有效包裹鋅粉。通過對不同鋅粉含量的數據比對,選擇鋅粉含量80%作為后續的配方研發參數。
由表5可知,不同鋅粉粒徑對涂膜的性能有影響,主要體現在耐鹽霧性上,鋅粉粒徑200目,比較粗,導致耐鹽霧性稍差,基本的耐鹽霧趨勢是隨著鋅粉粒徑的變化,目數越大,耐鹽霧性能越好,價格越貴,結合成本考慮選擇800目鋅粉進行后續配方的研發。
2.3   水性防閃銹劑對涂膜性能的影響
水性環氧富鋅涂料作為直接與金屬基材接觸的底漆涂料,需要解決涂料成膜過程中的水與金屬鐵接觸時產生的銹點問題,出現的銹點一般稱為閃銹,最簡便的解決方案是添加抗閃銹劑。市面上的抗閃銹劑一般分為兩類,一類是最常見的硝酸鹽,價格低廉,但具有生物毒性,還有致癌性,溶于水導致殘留在涂膜中影響耐鹽霧等性能;還有一類是有機金屬鹽和改性鋅螯合物,或者兩者混合使用,這類防閃銹劑具體控制閃銹的效果,同時在干燥過程中轉化成不溶于水的絡合物,不會影響涂料的耐鹽霧等性能,價格相對貴一些。針對水性防閃銹劑,篩選4種新型防閃銹劑和亞硝酸鈉一起進行性能對比,結果見表6?! ?/span>
通過表6分析可以看出,不同類型防閃銹劑的閃銹效果有差異,防閃銹劑B、D和亞硝酸鈉效果最好,但對比耐鹽霧性,亞硝酸鈉最差,防閃銹劑B最好,相差1倍左右,有銹點的板面測試附著力也會下降一個等級。選擇防閃銹劑B進行不同配方加量的性能測試,結果見表7。
通過對比發現,防閃銹劑含量為0.1%的板面有閃銹情況,≥0.3%的板面無閃銹;閃銹劑加量為0.3%時,耐鹽霧性最好,但其他加量對耐鹽霧性降低不明顯,說明防閃銹劑B對防閃銹效果好,對耐鹽霧性影響也不明顯。
2.4   涂層綜合性能
經過對水性環氧分散體及固化劑種類、鋅粉含量、鋅粉粒徑以及水性防閃銹劑的篩選,進行最佳配方的組合制備涂料,噴涂在拋丸粗糙度Sa2.5級的熱軋板上,流平10 min后70 ℃烘烤60 min,然后室溫養護7 d進行涂膜性能測試,最終的涂膜性能見表8。
由表8可以看出,制備的水性環氧富鋅涂料形成的涂膜機械性能優異,抗閃銹性好,在拋丸板上40 ~ 50 μm的膜厚,耐鹽霧性達1 500 h,耐水性達1 000 h,耐濕熱性1 500 h無起泡,具有非常好的防腐性能,可以用于集裝箱等工業領域。
3   結語
通過對水性環氧分散體和改性胺類固化劑的篩選,找到一款自身分散體穩定性好、調配不返粗、耐鹽霧性優異的配套體系,在此基礎上進行鋅粉目數和含量的性能篩選,采用鋅粉含量80%、鋅粉目數800目制備的涂料防腐性能最佳。進一步篩選合適的水性防閃銹劑及其用量,篩選出一款防閃銹性能好同時不影響耐鹽霧性能的產品,最終制備的高防腐水性環氧富鋅涂料在40 ~ 50 μm低膜厚條件下耐鹽霧性可以達到1 500 h,同時還有優異的機械性能。
詳情見《現代涂料與涂裝》2021-8期)
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