水性环氧涂料因其附着力好、防腐性能优异、低VOC绿色环保等特点，成为了近些年涂料发展的重点之一。涂料研发人员再进行水性涂料配方设计的时候，需要考虑的方面也非常多，例如颜填料、环氧树脂/乳液、固化剂、各种助剂等选用及用量设计，本文旨在结合实际技术开发过程与查阅相关文献，对于水性环氧固化剂的应用及水性涂料配方设计进行简单概况。

目前市面上常用的水性环氧树脂与固化剂的搭配体系有：

1、液体环氧树脂+水溶性胺

2、水性环氧乳液+水溶性胺

3、水性环氧乳液+胺分散体

根据不用的应用场景和配方设计，以上三种搭配均有各自的特点。例如：体系1既可设计成水性富锌底漆，但VOC含量会较高，又可设计成0VOC含量的水性涂料，但适用期可能较短；体系2可设计成低VOC含量的水性底漆，但其低温成膜性能略有不足；体系3相对于体系2，树脂与固化剂的相容性更好，成膜后漆膜更均匀致密，但低温成膜性能依旧略有不足。

在设计水性涂料配方时，需要考虑以下几点：

1）水性环氧乳液的粒径

水性环氧乳液与固化剂固化的过程中，存在固化剂扩散进入乳液颗粒内部的过程，乳液的粒径越小，越有利于固化剂进入乳液颗粒内部，成膜后漆膜越均匀致密。因此，一般的乳液粒径在纳米级别最合适，简易方法可以通过观察树脂挂壁后是否有蓝光来判断。

2）树脂与固化剂相容性

水性环氧乳液与固化剂的相容性的好坏，决定了两者混合后是否能处于一个稳定的均匀分散的状态，进而能够形成均匀的漆膜。一般可以通过将水性环氧乳液与固化剂混合后加水稀释到一定程度，并放置一段时间，观察体系是否存在分层或水油分离的情况。

3）亲水亲油性

尤其是对于水溶性胺类固化剂，良好的亲水性可以使其长期稳定的分散在水相中，并且非常容易的与环氧乳液混合；而良好的亲油性又有利于固化剂扩散进入乳液颗粒内部，形成均匀的漆膜。

4）固化机理

对于环氧树脂/乳液与固化剂的选用及匹配性，除考虑产品本身参数与特点、应用领域与要求等，还需要结合固化机理来进一步挑选。

对于液体环氧搭配水溶性胺固化剂，固化剂包覆在树脂表面形成乳液颗粒，使树脂分散在水中，在固化剂向树脂内部扩散的同时，交联反应也迅速在颗粒表面发生；随水分挥发，由于反应最先在树脂颗粒表面发生，固化剂向树脂内部的迁移逐渐困难；水分进一步挥发，微粒间相互挤压变形，由于微粒外围已固化变硬，挤压形变较小，微粒间留有孔隙，使树脂固化不完全，影响漆膜的性能，适当的烘烤或有利于提高交联密度。

图1:液体环氧树脂搭配水性环氧固化剂固化机理

水性环氧固化剂与分散体混合，固化剂先是均匀溶解在水相中；固化剂需要扩散进入分散体颗粒内部，进而与树脂反应交联，由于固化剂不会在颗粒表面直接与树脂反应，固化剂向分散体内部的扩散时间充足；随水分挥发，微粒相互靠近，直至挤压成六边形结构，树脂与固化剂发生进一步交联反应，最终便得到平整光滑涂膜；低温会影响该体系成膜性能，减缓固化剂向乳液内部扩散的速度，最终形成不了致密的漆膜。

图2：水性环氧分散体搭配水性环氧固化剂固化机理

01颜填料的性能及PVC、CPVC对于漆膜的影响

颜填料作为涂料的骨架，能够起到非常好的填充、降本增效、改善施工性能等作用。配方中常用的无机粉体颜料有钛白粉、氧化铁、炭黑等，而相对用量更多填料有滑石粉、硫酸钡、云母粉、硅灰石等，由于粉体之间不同的硬度、结构、化学性质，导致不同的搭配对于涂料的影响也非常明显。

1）莫氏硬度

莫氏硬度分为10级，主要通过棱形金刚钻在矿物表面进行划痕测试来评判。常用粉体里硬度较高的有二氧化硅、硅灰石、石英粉等，通过加入较高硬度粉体可以改善涂料的硬度、耐磨、耐擦洗性能，但加入的粉体硬度过高或者高硬度粉体加入过多，可能会导致研磨机器磨损、喷枪枪嘴损耗严重、耐冲击与柔韧性下降的问题。

2）颜填料的矿物形态

目前常用粉体中主要存在的矿物形态有：片状、针状、无定型、板状等。

片状结构对于提高防腐蚀性能有非常明显的帮助，通过其层层叠加后形成迷宫效应，可以减缓腐蚀介质侵入漆膜的时间。同时，片状结构也可以提高漆膜的耐弯曲性能，改善漆膜因为外力出现裂痕的情况。

针状结构是单向延长的晶型，通过与不同结构的粉体搭配可以起到很好的补强作用，改善漆膜的机械性能与流平性能，其良好的屏蔽性能对于紫外线有反射作用，因此也能改善漆膜的耐候与抗老化性。

板状结构主要为硫酸钡，由于其填充性能较好，添加量较多，可以显著降低树脂与固化剂的用量。

图1 常用填料的相关参数与特点

3）PVC与CPVC的影响

PVC是颜填料体积浓度，与基料(树脂、固化剂等液态不挥发物)和颜填料的用量有关，CPVC是颜填料临界体积浓度，与颜填料的吸油量和基料的密度有关。

PVC的高低对于涂料的防腐性能有着比较大的影响，因为其从数值角度反映了漆膜的致密性，太低或太高的PVC都会导致漆膜过于疏松而引起防腐性能降低。根据过往的经验，水性环氧防腐涂料的PVC范围控制在30~40%内比较合适(富锌底漆除外)，根据不同的应用场景、成本与体系可以进行调整。

CPVC主要反映了配方中使用的颜填料的吸油量的高低，一般PVC保持在CPVC的60%左右比较合适，不应超过CPVC。若PVC超过CPVC，则配方中的基料不足以润湿颜填料，会导致涂料黏度过高不易分散搅拌，不易刷涂等问题。

02成膜助剂

大部分水性环氧乳液都存在低温下成膜性能不足的问题。这是由于乳液粒子内部的树脂流动性较差，在成膜过程中，随着水分挥发，成膜粒子之间相互碰撞交联，漆膜的整体玻璃化温度Tg升高到一定程度，粒子之间并不能形成良好的接触碰撞，因此会导致交联密度较低。

通过加入成膜助剂，可以降低成膜过程中漆膜的玻璃化温度Tg，即便大部分水分挥发后，成膜助剂的存在使得乳液粒子依旧能保持一定的塑性流动而进行良好的相互碰撞交联，之后随着成膜助剂的挥发，漆膜的玻璃化温度Tg又可以恢复到接近原始的数值。由此便可以形成良好的致密性、硬度与疏水性。

在设计配方时，还可以根据不同成膜助剂的表面张力、沸点、挥发速率等，通过不同添加量或者搭配使用来改善涂料的表观、干燥速度、成膜性能等。但部分成膜助剂容易因为局部浓度过高而导致乳液破乳，因此建议使用时高速分散并且分次少量滴加。

图2 常用成膜助剂的参数

以上均根据自身经验与文献资料整理而成，仅供设计配方时作为简单参考，具体使用效果还需配方师进行搭配实验得到。

水性环氧涂料中防锈颜料与防闪锈剂种类、常用的流平剂和消泡剂特点。

 01、防锈剂

闪锈、盐雾腐蚀是水性涂料一直需要解决的问题，由于使用水作为分散介质，其本身对于金属就存在腐蚀性，水性涂料又相比于溶剂型涂料干燥时间更长，因此水与基材接触时间较长也是导致其出现闪锈和盐雾性能不佳的原因之一。为了解决这一问题，配方中经常会加入高效的防锈原料来解决闪锈问题并提升耐腐蚀性能。

具有防闪锈、耐盐雾作用的原料主要为防锈颜料与防闪锈剂，结合相关文献与以往的实验结果，目前市面上的防锈颜料与防闪锈剂的种类与性能如下：

表1 常用防锈颜料类型与差异

表2 常用防闪锈剂类型与差异

防锈颜料主要是通过缓慢释放的磷酸根或其他类似作用的物质来钝化基材，形成惰性层后达到提高防腐性能的作用，由于不同粉体释放离子的速度与阶段不同，不同磷酸盐的搭配会比单一使用磷酸盐效果更好。

对于防闪锈剂，过去最常见的就是亚硝酸钠，其具有强还原性，防闪锈性能非常好，在过去经常被用在水性涂料中，但其毒性较强、对耐盐雾性能影响较大、与环氧树脂乳液混合后存在储存稳定性不好的问题，在配方中需要合理使用。另外有些防闪锈剂是含氨基的，因对环氧乳液储存稳定性会产生一定影响，故一般建议在配方设计时该类型的防闪锈剂放在固化剂体系。

02、流平剂与消泡剂

图1 接触角与表面张力的关系

当基材的表面张力γS需要大于液滴内部的表面张力γLS与气液表面张力γL的合力时，液滴才能在基材表面铺展开。

由于水的表面张力较大，往往会导致湿膜状态下缩孔严重，必须要加入流平剂用来降低液体内部的表面张力，让涂料可以在基材表面顺利的延展开，但因此也会导致整体趋于稳泡，如果此时再加入的消泡剂则不一定合适，虽然消泡能力增强了，但漆膜确会因消泡剂引起缩孔。

要在流平与消泡之间找到平衡，合适的流平剂与消泡剂就很重要，本文仅挑选市面上常见几款流平剂与消泡剂结合实验室测试结果予以比较，市场上有更多种类与型号的助剂，配方开发工程师需结合自身配方体系与应用领域区筛选合适的助剂。

表3 常用流平剂型号对比

表4 常用消泡剂的型号对比

以上均仅根据自身经验及试验结果与文献资料整理而成，仅供设计配方时作为简单参考，具体使用效果还需配方师进行相关实验得到。

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