防闪锈水性丙烯酸乳液的合成及其性能

陈海洪*，成煬霈，陈中华

（1.广州集泰化工股份有限公司，广东 广州 510520；2.巴德富实业有限公司，广东 佛山 528322）



防闪锈水性丙烯酸乳液的合成及其性能

陈海洪1，*，成煬霈2，陈中华1

（1.广州集泰化工股份有限公司，广东 广州 510520；2.巴德富实业有限公司，广东 佛山 528322）

用幂级滴定法合成了一种具有较好防闪锈能力的水性丙烯酸乳液，并用其制备了能保护带锈迹钢结构的涂料。与现阶段市面上常用的水性丙烯酸乳液相比，该防闪锈乳液的性能优异，所制漆膜具有较低的成膜温度以及良好的机械、耐水及耐盐雾腐蚀性能。根据质子转移理论解释了所制乳液具有良好防闪锈性能的原因。

水性丙烯酸乳液；幂级滴定法；合成；钢；防闪锈；机理

First-author’s address: Guangzhou Jointas Chemical Co.， Ltd.， Guangzhou 510520， China

水性丙烯酸乳液在建筑涂料中的应用十分广泛，但是涂装在金属基材上时，用传统的丙烯酸乳液配制的水性工业涂料一直存在闪锈的问题。闪锈是在漆膜干燥过程中，金属表面出现的一种锈蚀现象，成因主要有两个：

一是电化学现象。水性乳液在配漆时水分较多，漆膜成型时漆内的水分挥发较慢，且涂料的黏度较大，导致其表面张力也较大，无法浸润金属表面的微小孔洞。水分和氧气在金属表面发生质子转移反应，引起闪锈。

二是物理现象。金属表面原本存在的一些活泼的锈斑在涂装前未被彻底清除。由于锈斑自身表面张力较大，无法被涂料完全浸润，会慢慢浮现在漆膜表面，产生闪锈。

此外发生闪锈也与涂料的pH、施工环境的温湿度、风速、漆膜厚度等有关。闪锈会造成漆膜与金属表面的粘合力大幅下降，甚至出现剥离的现象，其力学性能也随之大幅下降，且严重影响了其他性能与整体外观。目前市场上通用的防锈乳液均不具备防闪锈功能，需要外加闪锈剂才能达到表面抗闪锈效果，但长效性不佳。本文开发了一种具有一定防闪锈能力的水性丙烯酸乳液，突破目前水性丙烯酸乳液行业的技术难题，并配制成相应涂料，解决闪锈问题。

1　实验

1. 1 仪器

所用仪器如图1所示。

图1 生产设备示意图Figure 1 Schematic diagram of the production equipment

1. 2 原料

苯乙烯，甲基丙烯酸正丁酯，丙烯酸-2-乙基己酯，丙烯酸，甲基丙烯酸，特殊功能单体组合（白藜芦醇，马来酸，富马酸，脂肪酸），聚乙二醇醚基双苯磺酸钠，十二烷基硫酸钠，过硫酸铵，碳酸氢钠，吊白块，叔丁基过氧化氢，防锈颜填料（铁黄，铁红，铁黑，钛白），消泡剂，润湿分散剂，增稠剂，盐雾剂，闪锈剂。

1. 3 乳液的制备

采用幂级滴定法进行乳液聚合［1］。

（1） 单体的预乳化：分别在预乳化缸1与预乳化缸2中按单体质量比（1 ～ 2）∶1进行预乳化。在预乳化1缸中以硬单体为主，少量软单体为辅，预乳化液1的典型质量配比为：苯乙烯50%，甲基丙烯酸正丁酯35%，异辛酯10%，丙烯酸5%。在预乳化缸2中以软单体及特殊功能的单体或特殊功能的单体组合为主，少量硬单体为辅，预乳化液2的典型质量配比为：苯乙烯40%，异辛酯40%，甲基丙烯酸18%，特殊单体2%。

（2） 加入底料：将剩余的乳化剂及pH调节剂投入釜中，加入一定量的纯水后开始升温。

（3） 滴加过程：当温度达到（87 ± 1） °C时，添加初引至釜底，同步滴加预乳化液及引发剂。在搅拌下将预乳化液1按照一定的速率滴加到预乳化缸2中，4 h滴完。

（4） 保温过程：控制温度为（87 ± 1） °C，根据黏度需求（布氏100 ～ 1 500 cps，25 °C，3#，12 r/min）可适当提高搅拌速率，保温1 h。

（5） 后处理过程：降温至75 °C，同步滴加叔丁基过氧化氢和吊白块，0.5 h后保温30 min，测试MV值。该值是用仪器测出的氧化剂还原剂含量，可根据正负号定性判断是氧化剂还是还原剂过量，通过数值定量判断超出量。根据这个量，选择性补加适量的叔丁基过氧化氢或吊白块，滴加15 min，再保温30 min。最后降温至50 °C，调和，出料，得到防闪锈乳液E。

1. 4 水性复合涂料的制备

基于水性防闪锈乳液的丙烯酸涂料基础配方（质量分数）如下：

pH调节剂 0.1% ～ 0.5%

润湿剂 0.2% ～ 0.3%

分散剂 0.3% ～ 0.5%

消泡剂 0.1% ～ 0.2%

防锈填料 15.0% ～ 25.0%

色粉（即铁红、铁黄等） 5.0% ～ 10.0%

滑石粉 8.0% ～ 11.0%

耐盐雾剂 0.3% ～ 1.0%

成膜剂 1.0% ～ 3.0%

防闪锈乳液E 40.0% ～ 60.0%

水 余量

配漆时先加入水，在匀速搅拌下依次加入润湿分散剂、消泡剂等助剂，加入颜填料后统一砂磨，细度（≤60 μm）合格后加入乳液和成膜剂，用增稠剂调节黏度至商定要求即可。不加入色粉即得到清漆配方。

1. 5 涂膜的制备

基材均为20.0 cm × 15.0 cm × 0.5 cm的Q345钢板，喷砂至Sa2.5级。采用喷涂方式制板，干膜厚度除特殊说明外，清漆为30 μm，色漆50 μm，均喷涂一道。样板在（25 ± 5） °C养护7 d。

2　结果与讨论

2. 1 乳液E的检测指标

防闪锈乳液E的检测指标见表1。为考察其性能，将其与市场常见的普通防锈乳液D分别配漆进行对比，结果见表2。

表1 防闪锈乳液E的检测指标Table 1 Test indexes of the flash-rust resistant emulsion E

表2 自制乳液E及市售乳液D所制漆膜的性能Table 2 Properties of the coatings made from home-made emulsion E and commercial emulsion D

2. 2 漆膜的耐盐雾性能

乳液对于不同颜色粉料的包裹能力是有区别的，将所制乳液E与市售乳液D分别配制成含铁红、钛白、铁黄和铁黑的色漆进行168 h耐盐雾测试，结果如图2所示。从图2可见，防闪锈乳液E配制的色漆的耐盐雾性能均优于由市售防锈乳液D制成的色漆。

图2 用乳液E和D配制的不同颜色的色漆漆膜经盐雾试验168 h后的外观Figure 2 Appearance of different color coatings prepared from emulsions E and D respectively after 168 h salt spray test

2. 3 防闪锈性对比检测

为便于检测防闪锈性，将自制防闪锈乳液和对比乳液配成白色漆，不额外添加防闪锈剂，（25 ± 5） °C、相对湿度60%的条件下分别施工于干净的钢板和有浮锈的钢构上，其结果如图3所示。由图3可见，在不添加防闪锈剂配漆的情况下，普通防锈乳液对干净和有浮锈的基材均不能达到防闪锈的目的，而乳液E能有效封闭基材，无闪锈产生。

图3 不同乳液所制白色漆在干净的钢板和有浮锈的钢构表面的防闪锈效果Figure 3 Photos showing the anti-flash rust effect of white coatings prepared from different emulsions on the surfaces of clean steel plates and rusted steel structures

在低温高湿情况下，水性漆更易出现闪锈，为验证所制乳液E的性能，追加了一组低温高湿试验，结果见图4。可见在常态和低温高湿情况下，乳液E配制的涂料均能有效抑制闪锈。

图4 乳液E所制涂层低温高湿试验后的情况Figure 4 Photos showing the appearance of the coating prepared from emulsion E after low temperature and high humidity test

2. 4 抑制闪锈效果的理论分析

闪锈其实是钢构类基材生锈的另一种体现，它只是在施工过程中或是完成后的漆膜干燥过程中逐渐显现的一种现象。这种现象往往是随机发生的，与施工环境和基材有很大的关系。比如湿度较大的时候，漆膜干燥速率慢，或是基材表面的铁锈没有完全除干净的时候，闪锈现象极易发生。

在水性丙烯酸乳液发展为水性工业漆的初期，闪锈现象并不用于评价水性漆的好与坏，更多是以乳液膜或漆膜的耐盐雾性作为判断好坏的重要指标。

钢构类基材生锈的基本原理就是在钢构表面形成了多个小面积的腐蚀原电池造成的，阳极失电子，阴极得电子，并伴随着一系列的氧化反应［2］。

根据质子转移理论，乳液中的特殊功能单体或特殊功能单体组合在后期的成膜过程中释放出质子，使质子在水中与电子共存。根据电荷平衡理论，一部分电子被抑制，使得锈迹没有足够的量显现出来，从而抑制了闪锈现象的发生。

这种能力就现阶段而言并不是可以无限扩大的，因此根据实验，针对基材情况确定了以下2点：

（1） 对于干净的钢板基材，配漆时无需添加防闪锈助剂，直接用防闪锈乳液配漆就能达到抑制闪锈的目的。

（2） 对于已经生锈的钢板，需要添加常规量的防闪锈剂，可达到比普通乳液配制的涂料更好的防闪锈效果。

3　结论

基于质子转移理论，用幂级滴定法合成了防闪锈乳液 E。该功能性乳液配漆后具有一定的防闪锈能力，且所得漆膜的耐盐雾性能出色。

［1］ 曹同玉， 刘庆普， 胡金生. 聚合物乳液合成原理性能及应用［M］. 2版. 北京: 北京化工出版社， 2007: 486-513.

［2］ 李荻. 电化学原理［M］. 3版. 北京: 北京航空航天大学出版社， 2008.

［ 编辑：杜娟娟 ］

Synthesis and properties of flash-rust resistant waterborne acrylic emulsion

CHEN Hai-hong*， CHENG Yang-pei，CHEN Zhong-hua

A good flash-rust resistant waterborne acrylic emulsion was synthesized through power feed method and used to prepare a paint being able to protect rusted steel structure. Compared with a commercial common waterborne acrylic emulsion，this anti-flash rust waterborne acrylic emulsion has outstanding performance. The film obtained therefrom has low film-forming temperature as well as good mechanical properties， water resistance， and salt spray corrosion resistance. The reason about why the emulsion prepared has good flash-rust resistance was explained based on the proton transfer theory.

waterborne acrylic emulsion； power feed method； synthesis； steel； flash-rust resistance； mechanism

TQ630.7

A

1004 - 227X （2016） 14 - 0720 - 04

2015-11-27

2016-02-23

陈海洪（1981-），男，广东四会人，硕士，工程师，主要从事水性工业漆的研究开发工作。

作者联系方式：（E-mail） kobechance@126.com。