浅谈水性钢结构漆配方设计要素

俞士国

苏州吉人高新材料股份有限公司

摘要：根据钢结构用涂料特点,从水性醇酸树脂,水性丙烯酸乳液,防锈填料,缓蚀剂,成膜助剂等方面的选择性对比。最终采用水性醇酸树脂与丙烯酸乳液混拼,并搭配合适量的防锈颜料与成膜助剂,开发了一种适用于大型钢结构用的水性快干型底面合一漆,实现了水性涂料在基材的较好的润湿性,防锈性能,快干性,易施工性,耐水性的各种性能的平衡,并且已经产业化,应用于各种厂房钢结构及工件。

0 引言

目前国家对环境保护的要求越来越高，涂料工业及涂装向低污染化方向发展， 水性涂料正在日益兴起，金属材料的防腐蚀涂料引起国内外关注，溶剂型涂料存在大气污染、毒性和火灾危险等几个方面的问题，因此发展环境友好型的水性涂料受到了重视。目前，大部分钢构厂家使用水性漆都在考虑以下几方面因素：（1）价格低廉的油性防锈漆，使用水性防锈漆成本会大大增加；（2） 如何解决施工中出现的闪锈问题；（3）施工过程中对温度、湿度如何控制；（4）大型钢构一般对底材处理不到位，表面含有油污，水性漆如何实现对底材的充分润湿并有相当的附着力；（5）如何实现膜厚一般，初期耐水性好，并能够具有较长防锈性能的水性漆；（6）是否能与丙烯酸、聚氨酯、氟碳等面漆兼容，不会出现咬底脱落等问题。针对以上问题， 本研究采用不同的水性醇酸树脂、苯丙乳液、纯丙乳液、聚氨酯乳液等进行复配互相改进测试，最终选定了自产水性醇酸树脂与丙烯酸乳液复配互相改进干性、硬度、耐水性等问题。采用迪高的KL245 与油污乳化剂解决了对含轻微油表面基材的润湿附着问题。

1 实验部分

1.1 原材料

水性醇酸树脂、丙烯酸乳液：自制；醇酯-12、苯甲醇、乙二醇丁醚、pH 调节剂：市售；基材润湿剂270、消泡剂810：迪高；缓蚀剂、水性膨润土、分散剂760W、水性催干剂：市售；防闪锈助剂179：海明斯；增稠剂、氧化铁红粉、沉淀硫酸钡、云母粉、磷酸锌、三聚磷酸铝、油污乳化剂（十二烷基苯磺酸钠）：市售。

1.2 涂料制备工艺

将去离子水与水性有机膨润土先预制成浆，往搅拌缸中加入定量的水性醇酸树脂、催干剂、分散剂、消泡剂、pH 调节剂，低速搅拌均匀后，加入氧化铁红粉、沉淀硫酸钡、三聚磷酸铝、云母粉、磷酸锌继续搅拌20~30 min 后研磨至细度＜35 μm， 研磨过程视黏度情况适当添加去离子水予以调整。最后低速搅拌，补加丙烯酸树脂、成膜助剂、防闪锈剂、基材润湿剂、增稠剂调整到适宜黏度。

1.3 性能测试

样板在室温条件下自干24 h 后测试物理性能，7 d后进行型式检验项目测试，测试标准参照国标。

2 结果与讨论

2.1 水性树脂及用量的选择

选择自产的油度为53%~56%的水性醇酸树脂进行测试，实验设计不同用量水性醇酸树脂配制成底面合一铁红漆对漆膜干燥时间、光泽、耐性等性能的测试。铁红底面合一漆的配方见表1，性能测试见表2。

从表2 可以看出，水性醇酸树脂与丙烯酸树脂混拼时，可以互相改进干燥性、耐水性及盐雾性能，而且在选用配方3，即树脂比例为1∶8 的时候，漆膜各项性能指标达到最优，干燥性、防腐性、耐水性、光泽最优。

2.2 缓蚀剂的选择

在水性涂料的金属防护涂装中，其干燥过程中经常出现闪蚀现象，因此在配方中挑选一款合适的缓蚀剂尤为重要。缓蚀剂一般分为5 类，（1）无机缓蚀剂，亚硝酸盐类，其成本低、毒性大、相容性差（2）有机缓蚀剂，氮氧杂环化合物，毒性也大，也存在相容性问题（3）硅酸盐类，该类添加量较大，对漆膜性能有影响（4）三乙醇胺等，该类缓蚀效果不太明显（5）碱金属磺酸盐类，该缓蚀剂既有缓蚀效果，还能增强附着力，涂料的稳定性。不同缓蚀剂测试配方如表3，性能对比如表4。

从表4 可以看出， 在本水性底面合一漆体系中，缓蚀剂5 为最佳使用原料。

2.3 成膜助剂的选择

在设计配方时， 成膜助剂的选用是极其关键的，其影响了漆膜的光泽、干性、耐水性和耐腐蚀性，对贮存状态也非常关键。本文选用苯甲醇、十二碳醇酯、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚做对比试验。成膜助剂与水性丙烯酸乳液相容性测试说明，苯甲醇、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚在苯丙乳液中相容性较好，但都需要缓慢加入，否则会出现絮凝现象；十二碳醇酯在任何乳液中的相容性都挺好，而且添加方式简单，不易破乳，具有广泛适用性。

十二碳醇酯是乳液聚合物的强溶剂，并且水解稳定性非常好，聚结性能非常好，能十分有效的降低最低成膜温度(MFFT)、扩大适用高玻璃化温度（Tg）的聚合物的使用范围。与其他成膜助剂相比，易于被乳胶粒子吸附，易于胶粒的溶胀，挥发速率低，成膜前保留在漆膜中，成膜的连续性好，又有适宜的挥发度，不影响漆膜的光泽与硬度。几个成膜助剂的特性对比如表5。

用十二碳醇酯为成膜助剂的水性漆中，漆膜的各项指标达到了一个平衡。

2.4 表面活性剂的选择

大型钢构表面存在较多的油污、助焊剂等，某些厂家为了降低成本，对底材处理不到位，不除油污，对于油性涂料喷涂而言，问题不大，但是对于水性涂料喷涂增加了难度， 影响了涂层对基材的润湿与附着。一般会选择有机硅类流平剂降低水性涂料的表面张力达到流平效果， 但是严重影响了漆膜的附着力与重涂。本研究采用表面活性剂（十二烷基苯磺酸盐）作为油污乳化剂，将钢材表面的油污直接乳化，使得漆膜直接接触底材。单纯靠油污乳化剂只是解决了油污的问题，但是对基材的润湿还是不够充分，本实验选择与迪高270 基材润湿剂混拼， 解决了漆膜的润湿流平问题，同时带来了良好的底材附着力，在带油污底材上的附着力达到了1 级， 而且具有优异的耐水性与耐盐雾性。

3 结语

（1） 实验对比了不同比例自产水性醇酸树脂与丙烯酸树脂混拼时，可以互相改进干燥性能、耐水及盐雾性能，而且在选用树脂比例为1:8 的时候，漆膜各项性能指标达到最优，干燥性、防腐性、耐水性、光泽最优；

（2） 实验对比了不同缓蚀剂对漆膜性能的影响，结果表明利用磺酸盐与铁锈的“鳌合作用”使得水性涂料能够在带锈底材施工，而且能够阻止闪锈现象的发生；

（3） 实验对比并选用十二碳醇酯作为成膜助剂，能十分有效的降低最低成膜温度(MFFT)、扩大适用高玻璃化温度（Tg）的聚合物的使用范围,其易于被乳胶粒子吸附，易于胶粒的溶胀，挥发速率低，成膜前保留在漆膜中，成膜的连续性好，又有适宜的挥发度，不影响漆膜的光泽与硬度；

（4） 实验选择油污乳化剂与迪高270 基材润湿剂混拼，解决了漆膜的润湿、流平问题，同时带来了良好的底材附着力， 漆膜在带油污底材的附着力达到了1级，而且具有优异的耐水性与耐盐雾性。

通过以上实验最终确定了一款适用面广的水性铁红底面合一漆，而且成本较低，可以替代溶剂型的醇酸防锈漆，达到环境保护的要求。

《2017(第15届)水性技术年会论文集》