水性丙烯酸防锈涂料的研制

刘晓庆，王    琛，边林防，王娅丽，刘宪文，陈安强 (陕西宝塔山油漆股份有限公司，陕西兴平   713100)

摘要：以苯乙烯/丙烯酸酯聚合物乳液为成膜物质,筛选防锈颜料、分散剂、防闪锈剂、成膜助剂等,制备了一种环境友好型水性丙烯酸防锈涂料。研究了防锈颜料、防闪锈剂、防沉剂对涂膜性能及涂料贮存稳定性的影响。检测结果显示水性防锈涂料涂膜关键指标耐水性达到120 h以上,耐盐水性达到168 h,且涂料VOC≤50 g/L,环保性能良好。

关键词：水性丙烯酸 防锈颜料 环境友好 防腐

0   前   言
长期以来，溶剂型防锈涂料由于具有优良的防腐 蚀效果和通用性，在钢结构、石化、机械、船舶等工业 领域应用广泛。众所周知，传统溶剂型涂料含有大量 有机溶剂，在安全、环保方面存在很多问题，其对人和 环境存在巨大隐患。随着国家环保政策法规的日益 完善，国家对VOC的限排政策逐步收紧。面对日益严 峻的环保形势，涂料水性化等向环境友好型升级势在 必行。
本文以苯乙烯/丙烯酸酯聚合物乳液为主要成膜 树脂，优选防锈颜料、水性助剂等制备出了综合性能 良好、通用性强、水性环境友好型的防锈涂料。该产品 具有初期耐水性好、涂膜干燥速度快的优点。
1  实验部分
1.1   原材料
苯丙乳液、109锌铬黄、柠檬锶铬黄等：市售；磷酸 锌：进口；分散剂：迪高；消泡剂：海名斯；润湿剂：陶氏化学；杀菌剂：科莱恩；成膜助剂：伊士曼；增稠剂：南 京维高；其余材料为氧化铁红、金红石型钛白粉等：湖 南三环；复合铁钛粉：市售。
1.2   实验设备及仪器
变频高速搅拌分散机，SK-2小型砂磨机，QXD-50 刮板细度计，STM-IV(B)斯托默黏度计，QTX型涂膜 柔韧性测定器等。
1.3   水性丙烯酸防锈涂料的制备
1.3.1   配    方
本实验通过筛选几种不同水性丙烯酸成膜物、防 锈颜料，并对所制涂料性能进行比较，得出综合性能 良好、通用性强、价廉环保的配方，见表1。

1.3.2   制备工艺
根据表1配方中各组分加量，将去离子水加入实 验用容器中，在搅拌状态下依次加入杀菌剂、分散剂、 润湿剂、消泡剂、乙二醇等；加料完毕后，中速搅拌8～ 15 min，加入pH值调节剂；然后依次加入颜料、防锈颜 料和填料等，在砂磨机中研磨30 min；在500 r/min搅拌 状态下加入苯丙乳液，分散10 min后缓慢加入增稠剂 至合适黏度，过滤，包装。
1.4   样板制备 

本研究样板的制作参照HG/T 4847—2015《水性 醇酸树脂涂料》标准中相关要求进行，具体制板要求 如表2所示。

1.5   技术指标
本研究制备的水性丙烯酸防锈涂料的技术指标见表3.

2   结果与讨论
2.1   成膜物质的选择
涂膜的吸水率越高，其耐水性越差。选择能有效 阻止水分渗透到金属表面的成膜物质，有利于提高涂 膜的耐水性。但透水率越低，表明透气性越小，反而 不利于防锈颜料迁移到涂膜表面的缺陷处，因涂膜缺 陷部分导致整体的防腐性能。苯丙乳液中含有大量的 苯乙烯类憎水物，形成的涂膜透水率较低，具备较小的透气率，有利于提升涂膜耐水性和防腐性能。分别 选用苯丙乳液A和苯丙乳液B，制膜进行实验，其耐水 性和耐盐水性见表4，将不同的乳液按相同PVC配方 制备试样，在马口铁皮板上涂刷规定的干膜厚度后， 分别进行初期耐水性，常温干燥7 d后耐水及耐盐水 性浸泡实验。用流水冲洗涂膜表面后用滤纸擦拭干 净，目测涂膜外观变化情况。

根据表4的性能测试结果，结合原材料的价格比 较，选择苯丙乳液A为本实验成膜物质。
2.2   苯丙乳液加量对涂膜性能的影响
防锈涂料中成膜物质的加量不足会导致涂膜机 械性能差、强度低，成膜物质加量过多会提高涂料成 本，因此配方设计中对成膜物质不同加量的筛选至关 重要，其不同加量对涂膜性能的影响见表5。

从表5结果可以看出：当苯丙乳液添加量为40% 时，涂膜性能表现良好且可达到防锈涂料的要求。
2.3   防锈颜料的选择
2.3.1   水性丙烯酸铁红防锈涂料用防锈颜料筛选
本实验采用氧化铁红、磷酸锌、109锌铬黄、柠檬 锶铬黄进行搭配实验。氧化铁红结构紧密，防腐性能 较好，因此以氧化铁红为主要防锈颜料，搭配磷酸锌 以及109锌铬黄、锶铬黄颜料，降低水分在涂膜中的渗 透性，提高涂膜的防锈性能。磷酸锌作为活性防锈颜料，具有较好的稳定性、无毒、耐水性能和防腐性能， 能与铁离子进行混合起到带锈作用[3]。磷酸锌是一种 性能优良的新型无毒防锈颜料，其在水解过程中生成 的各种中间产物，不仅与涂料中的羟基和羰基反应， 还与金属表面的锈蚀进行反应，并在金属与腐蚀产物 间形成隔离区，阻止腐蚀介质的进一步入侵，从而对 金属基底进行保护。锌铬黄和锶铬黄不但具有阳极保 护钝化作用，也具有阴极阻蚀剂作用，钝化作用是在 阴极区发生的电化学过程所引起的，从而使铁离子与 铬酸离子在钢铁表面形成一层金属氧化物的水合物， 由于这类铬酸盐都能提供铬酸根离子，配制成涂料 后，在钢铁表面起钝化作用，是一种重要的防锈颜料， 但由于其含有Cr6+，故被限制使用。不同配比的防锈颜 料对涂膜性能的影响见表6。

由表6可看出，防锈颜料配比中含有6价铬的锶铬黄时，其不符合环保要求。所以防锈颜料配比为： m(铁 红粉)∶m(磷酸锌)∶m(锶铬黄)=15∶4∶0时，涂膜耐 水性和耐盐水性能较好。 2.3.2   水性丙烯酸灰防锈涂料用防锈颜料筛选 水性丙烯酸灰防锈涂料用防锈颜料重点研究了 磷酸锌与锌铬黄的比例、磷酸锌与锶铬黄以及磷酸锌 与复合铁钛粉的比例对涂膜耐水性和耐盐水性能的 影响，结果见表7～表9。

从表7～表9可以看出，随着两种防锈颜料用量的 逐渐增加，除耐水性保持不变外，耐盐水性均得到改 善。但热贮存后发现配方中有锌铬黄时均存在热贮存 7 d后有结块问题，但分别选用锶铬黄、复合铁钛粉后 未出现结块问题。考虑到铬系颜料的环保性，本实验 选用磷酸锌和复合铁钛粉搭配：磷酸锌、复合铁钛粉 用量分别为2%～3%和3%～4%，制得的涂料综合性能良好，且符合环保要求。 2.4   分散剂用量对涂层耐介质性能的影响 本研究选用疏水改性共聚物分散剂制备水性防 锈涂料。分散剂是一种表面活性剂，同时也是一种颜 填料稳定剂，它能降低基料溶液和颜料表面的界面张 力，置换出颜填料表面的空气，对涂料的防腐蚀性能 也会产生影响。分散剂用量对涂膜耐介质性能的影响 结果见表10。

由表10可以看出，分散剂的用量对涂层耐水及耐 盐水性影响较大。分散剂的加入提高了颜填料和助 剂、树脂间的亲和力，能更紧密地把颜填料和成膜树 脂结合起来，若加入量不足，颜填料的分散不均匀，形 成的涂膜屏蔽性差，涂膜的耐水性和耐盐水均较差。 分散剂加量为0.6%可获得最佳的涂膜性能。

 2.5   防闪锈剂的选择 

水性涂料直接涂刷于金属表面，干燥成膜初期极 易出现闪锈现象，本实验选取了3种防闪锈剂FA179、 亚硝酸钠和SYF进行测试，不同防闪锈剂的用量及对 涂膜的闪锈抑制性能见表11。

由表11可知，防闪锈剂用量在0.5%～0.8%时对涂膜的防闪锈性能最佳，在测试耐水时，发现FA179板面 边缘有极轻微的生锈现象，且成本较高；亚硝酸钠有 致癌隐患。所以综合考虑，选取了SYF防闪锈剂。
2.6   成膜助剂对涂膜性能的影响
涂膜性能及成膜性能的调节可通过使高聚物微 粒软化的成膜助剂来实现。选用Texanol醇酯作为成膜 助剂，无毒环境友好，不仅可以降低涂膜的最低成膜温 度，还可以改善涂膜的耐候性和改进涂层的展色性。 本实验研究不同成膜助剂用量对涂膜耐水性和耐盐雾 性能的影响，结果见表12。

由表12可得出结论，成膜助剂加量为1.5%时，涂 膜性能最佳，耐水性能与耐盐水性能均能达到标准。
3   结   语
本研究选用苯乙烯/丙烯酸酯聚合物乳液、环境 友好型防锈颜料和防闪锈剂，制得一种新型的耐水性 能优异的水性丙烯酸防锈涂料，并对苯乙烯/丙烯酸 酯聚合物乳液、防锈颜料、防闪锈剂对涂膜性能的影 响进行研究。所制得的水性丙烯酸防锈涂料初期耐水 (在实干10 h后)达到120 h以上，涂膜的硬度、附着力、 耐水性、贮存稳定性及施工应用性等综合性能优异。