水性浅色防静电隔热防腐涂料的研制

刘成楼，谭 勇，李淑芹，郑德荣（新华都特种电气股份有限公司，北京 101102）

水性浅色防静电隔热防腐涂料的研制

刘成楼，谭 勇，李淑芹，郑德荣（新华都特种电气股份有限公司，北京 101102）

以双组分水性聚氨酯为成膜物、以钛白粉为颜料、以磷酸铝锌为防锈颜料、以导电钛酸钾纤维、石墨烯为导电填料，在功能助剂的配合下，制得兼具防静电性、隔热性、防腐性的多功能涂料。涂膜的体积电阻率达到3.10×105Ω·m，太阳吸收比达到0.50，半球发射率达到92%，耐盐雾性达到1 500 h，具有良好的耐化学介质性和耐候性。

浅色涂料；聚氨酯涂料；防静电；防腐涂料

0 引言

随着国民经济的发展和科技的进步，改善民生、保护环境、节约资源、节能减排、发展循环经济已成为我国的基本国策。目前，国内应用于航天器、石油管道、储油罐、钻井平台、工业设备等的防静电涂料，主要是以环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂、聚氨酯等为成膜物的溶剂型涂料，由于溶剂挥发，既浪费能源又污染环境，还存在着安全隐患。双组分水性聚氨酯涂料不仅具有溶剂型双组分聚氨酯涂料硬度高、耐介质性好、成膜温度低和附着力强等优点，而且挥发性有机化合物（VOC）含量极低［1］，是一种性能与环保兼具的高品质涂料。

在航空航天、舰船、装甲车、油气储罐等领域，其表面涂层不仅要具有良好的导静电性，还要有良好的隔热降温性和防腐性。本研究以双组分水性聚氨酯为成膜物、以钛白粉为白色颜料、以磷酸铝锌为防锈颜料、以导电钛酸钾纤维、石墨烯为导电填料，在功能助剂的配合下，制得兼具防静电性、隔热性和防腐性的多功能涂料［2-4］。

1 试验部分

1.1 原材料

羟基丙烯酸分散体、改性聚酯分散体、改性HDI异氰酸酯，拜耳公司；金红石型钛白粉CR826，澳洲科美基；磷酸铝锌，进口；导电钛酸钾纤维ECP-TF，北京特保导电粉体材料发展中心；石墨烯，成都有机化学有限公司；分散剂，科宁公司；润湿剂、消泡剂、流平剂，迪高公司；防霉杀菌剂、增稠剂、成膜助剂，陶氏公司。二甲基乙醇胺，市售。

1.2 参考配方

水性浅色防静电隔热防腐涂料的参考配方见表1。

表1 水性浅色防静电隔热防腐涂料的参考配方Table 1 The reference formula of waterborne light-colored anti-static thermal insulating anticorrosion coatings

1.3 制备工艺

（1） 石墨烯水性浆料的制备：将适量分散剂、润湿剂、消泡剂、多功能胺助剂加入至96份去离子水中，搅拌分散均匀，缓慢加入3份石墨烯粉，分散均匀后超声波振荡0.5 h，再经纳米研磨机研磨，制成3%的石墨烯浆料；

（2） A组分的制备：将去离子水加入分散罐中，中速搅拌下加入分散剂、润湿剂、消泡剂、流平剂、防霉剂、pH调节剂、金红石型钛白粉、磷酸铝锌和导电钛酸钾纤维，高速分散30 min，研磨至细度达30 μm，制得颜料浆。将上述颜料浆加入调漆罐中，中速搅拌下加入石墨烯浆料、羟基丙烯酸分散体、改性聚酯分散体以及成膜助剂、消泡剂、增稠剂，搅拌20 min，过滤、包装。

B组分：氨基磺酸盐改性HDI异氰酸酯单独包装。

2 结果与讨论

2.1 水性树脂的选择［5-7］

2.1.1 水性羟基树脂的选择

水性羟基树脂可分为初级分散体（乳液聚合法合成）和二级分散体（溶液聚合法合成）。初级分散体相对分子质量较大，并且不含共溶剂，干燥速度较快，适宜制备亚光漆，耐水性、耐化学品性较差；二级分散体一般为中等相对分子质量，含有10%左右的共溶剂，在交联密度相同的情况下，二级分散体与亲水HDI异氰酸酯配漆可获得光泽度高、综合性能更优的涂膜。

通过大量试验优选，最终选择了羟基丙烯酸酯二级水分散体和改性羟基聚酯二级水分散体，前者固化后的涂膜硬度高、柔韧性好、光泽高、丰满度高、具有良好的耐候性、耐光性和优异的耐化学品性，可用于重防腐面漆；后者固化后的涂膜具有优异的柔韧性、耐磨性、耐水性、耐候性，可与羟基丙烯酸分散体混拼使用制备柔性面漆。以羟基丙烯酸酯二级水分散体为主、以改性羟基聚酯二级水分散体为辅，两者以适当比例混拼后，其固化涂膜不但兼具两者各自的特性，而且还具有叠加效应。

2.1.2 亲水性聚异氰酸酯固化剂的选择

新一代亲水改性聚异氰酸酯固化剂，是由氨基磺酸盐改性的HDI三聚体，可以减少乳化剂用量，交联后的涂膜在干性、硬度、耐化学品性等方面有进一步提高，且能得到低黏度、100%固含量的产品，使用时无需溶剂稀释，可制备极低VOC的水性涂料［5］，亲水改性聚异氰酸酯固化剂的特性如表2所示。

表2 亲水改性聚异氰酸酯固化剂的特性Table 2 The characteristics of hydrophilic modified polyisocyanate curing agents

本研究选用XP 2547作为固化剂，它的突出特点在于黏度低，易于在低剪切力下分散均匀且无需溶剂稀释，—NCO含量高，快干，具有较低的亲水性，在易混合的基础上，避免了耐水性等方面的损失，可有效提高涂膜的耐化学品性，适用于高性能双组分聚氨酯涂料。

2.1.3n（—NCO）/n（—OH）配比的选择

双组分聚氨酯涂料配制技术的关键之一是确定恰当的n（—NCO）/n（—OH）比例，在水性双组分PU涂料中，—NCO基除了与—OH基反应外，还能与水、胺等发生副反应，故—NCO基必须过量，在配方中其他因素不变的条件下，改变n（—NCO）/n（—OH）比例，其对涂层性能的影响见表3。

表3 n（—NCO）/n（—OH）对2K水性PU涂层性能的影响Table 3 The influence of n（—NCO）/n（—OH） on performance of 2K waterborne PU coating

由表3可见：随着n（—NCO）/n（—OH）比例的提高，双组分水性PU涂层的拉伸强度先降后升，断裂伸长率则先升后降，耐磨性逐步提高，耐冲击性较平稳，当n（—NCO）/n（—OH）配比达2.0时，涂层耐冲击性开始下降。这是因为随着涂料体系中n（—NCO）/n（—OH）比例的提高，涂膜的交联密度增加，断裂伸长率上升，拉伸强度略有下降。涂层的耐磨性与其摩擦系数、脆性、回弹性有关，涂层硬而脆则磨损大，涂层柔韧则磨损小，在保证涂层具有较高强度的前提下，提高涂层的断裂伸长率和恢复率，是提高涂层耐磨性、耐冲击性的有效途径。

由表3可见 ：当n（—NCO）/n（—OH）=1.4~1.8时，涂层的各项性能达到最佳，—NCO基过量太多会延长涂层的干燥时间，增加涂料和涂装成本，从性价比考虑，取n（—NCO）/n（—OH）=1.4为宜。

2.2 颜填料的选择

2.2.1 白色颜料的选择

在涂料配方设计中，白色颜料首选金红石型钛白粉。金红石型钛白粉是目前已知功能颜料中折光指数最高（2.8）的白色颜料，其光反射率达到80%，具有遮盖力强、折光指数高、太阳光反射系数大、耐候性好、耐化学品腐蚀等优点。在保证涂层体积电阻率较低、太阳反射比尽可能高的前提下，在水性浅色防静电隔热防腐涂料配方中添加适量金红石型钛白粉，可以提高涂料的综合性能。

2.2.2 防锈颜料的选择

磷酸铝锌是磷酸锌改性后的第二代防锈颜料，兼有磷酸锌和磷酸铝的双重特性，其在电化学防腐性能、与漆膜的相容性、漆膜的屏蔽作用、漆膜与基料的附着力等方面都有改进。磷酸铝锌遇水容易发生离解和水解，生成磷酸盐离子，磷酸根与铁锈离子反应，形成难溶且紧密的磷酸附着层，引起阳极极化；而锌、铝离子与阴极区的OH-反应，生成难溶物而引起阴极极化，具有缓蚀、钝化作用［8］。另外磷酸铝锌还具有良好的光学性能，对太阳光热有较高的反射率和远红外发射率，其用量达到8%~12%时，涂层的光学性能和防腐性能较好。

2.2.3 导电填料的选择

（1） 导电钛酸钾晶须纤维

导电钛酸钾晶须是在钛酸钾晶须的基础上，采用纳米技术，通过表面处理、半导体掺杂处理，使其基质表面形成导电氧化层而制得的。其外观呈浅灰色纤维粉状，平均直径0.4~0.7 μm，平均长度10~20 μm，长径比60左右，电阻率lt;100 Ω·cm，1 300℃以下使用稳定，密度3.4~4.0 g/cm3，表观密度0.2~0.4 g/cm3，比表面积15~30 m2/g，莫氏硬度4，拉伸强度7 GPa，拉伸模量280 GPa。这种导电晶须保持了原有钛酸钾晶须的优良物理化学性质，而且增加了在冷热环境下均匀稳定的导电性能及吸波性能；其用量少，只需添加约为其他导电填料量的1/3~1/2，即可得到所需的导电效果，当其添加量为15%~20%（固含量质量百分比）时，制品电阻104~106Ω·cm；耐高温，即使在600℃空气中使用，其导电性也不改变；显微填充性好，在体系中分散均匀；增强效果好，可显著提高涂层的耐折曲性和抗冲击性；工艺性好，可按需求设计适当的电阻值，并可任意着色。

（2） 石墨烯

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是一种新型的由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形呈蜂窝晶格的平面薄膜，是世界上最薄、最坚硬的纳米“超级材料”，硬度超过钻石，同时又像橡胶一样可以伸展。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5 300 W/（m·K），高于碳纳米管［3 000 W/（m·K）］和金刚石。常温下其电子迁移率超过15 000 cm2/（V·s），比碳纳米管或硅晶体高，而电阻率仅约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世界上电阻率最小的材料。它在涂料中主要应用于导电涂料、防腐涂料、阻燃涂料、导热涂料和高强涂料等领域［9-11］。

2.3 助剂的选择

2.3.1 分散剂的选择

颜填料在水性涂料中的分散均匀程度，直接影响到涂料的外观、贮存稳定性和物化性能，因此分散剂的选择至关重要。在其它配方因素相同的条件下，不同品种分散剂对水性浅色防静电隔热防腐涂料性能的影响见表4。

表4 不同品种分散剂对涂料性能的影响Table 4 The influence of different kinds of dispersant on coatings performance

由表4可见，在水性浅色防静电隔热防腐涂料中，分散剂采用SN5040时，涂料出现增稠、凝胶现象，丙烯酸疏水共聚物分散剂731A或3275，则兼具润湿和分散作用，能防止颜填料絮凝、保持颜色稳定、降低研磨料黏度、改善涂料的贮存稳定性，且光泽较高。

2.3.2 基材润湿剂的选择

双组分水性聚氨酯涂料以水为介质，水的表面张力高（72.5 mN/m），对底材和颜填料的润湿性差，涂料的附着力和流平性欠佳。因此，必须选择有强降表面张力作用的表面活性剂，以便能够快速地在固/液界面上定向吸附，降低固/液界面张力，增进涂层的附着力，改善涂料的流动铺展和流平性。通过对基材润湿剂的对比试验，最终选择了迪高公司的Wet 280和245。其具有强烈降低表面张力作用，并能改进涂料对底材的附着力和流平性，无（或稍有）稳泡作用，且不影响重涂、附着力。

2.3.3 流平剂的选择

分散剂与润湿剂配合使用，只是解决了固/液界面的润湿吸附和降低界面张力问题，但对涂膜出现的表面缺陷，如缩孔等问题无能为力。因此，必须选择适宜的流平剂，以便降低涂膜表面的液/气界面张力，改善涂膜流平性，消除涂膜表面缺陷。通过筛选，最终选择了迪高公司的Glide 100和410，赋予涂膜良好的平滑手感性、抗划伤性和耐磨性。

2.3.4 消泡剂的选择

双组分水性聚氨酯涂料与其他水性涂料相比更容易产生气泡，涂料在制备过程中，由于高速搅拌、研磨会产生气泡；润湿分散剂的加入有助于气泡的产生；施工过程中的刷、辊、喷外力作用极易产生气泡；成膜过程中，水与异氰酸酯的副反应产生CO2，CO2气体滞留在漆膜中形成暗泡。如果不及时有效地消除这些气泡，涂膜表面会形成针孔、气泡和缩孔等缺陷，影响涂膜表观效果和物化性能。本研究选用迪高公司的脱泡剂Airex 902W和消泡剂Foamex-825搭配使用，取得了满意的消泡效果。

2.3.5 流变助剂的选择

一般双组分水性聚氨酯涂料黏度较低，为了保证其贮存稳定性、良好的施工流动性、流平性和抗流挂性，必须添加适宜的增稠流变助剂。碱溶胀型丙烯酸类增稠剂会引起双组分水性聚氨酯涂料凝胶失效；缔合型聚氨酯增稠剂，如RM-8W和RM5000的加入，会使双组分水性聚氨酯涂料在贮存中黏度上升；强假塑性聚氨酯增稠剂，如洛克伍德的H600、海名斯的288流变助剂的加入，可提高涂料的贮存稳定性、流平性和抗流挂性。

3 涂料性能

水性浅色防静电隔热防腐涂料的性能检测结果见表5。

表5 水性浅色防静电隔热防腐涂料的性能Table 5 The performance of waterborne light-colored anti-static thermal insulating anticorrosion coatings

续表5

4 结语

以双组分水性聚氨酯为成膜物、以钛白粉为白色颜料、以磷酸铝锌为防锈颜料、以导电钛酸钾晶须、石墨烯为导电填料，在功能助剂的配合下，制得兼具防静电、隔热、防腐功能的水性聚氨酯浅色导静电隔热防腐涂料。它是一种性能与环保兼具的高品质涂料，不仅具有溶剂型双组分聚氨酯涂料硬度高、耐介质性好、成膜温度低和附着力强的优点，而且VOC含量极低。可广泛应用于航空航天、舰船、车辆、油气储罐、油气管道、化工设备等领域。

1 刘成楼，隗功祥.风电叶片用双组分水性聚氨酯涂料的研制［J］.上海涂料，2011（11）：13-16.

2 刘成楼.导电防腐耐热多功能涂料的研制［J］.现代涂料与涂装，2008（3）：5-8.

3 史政海.浅色复合导电涂料的研制［J］.涂料工业，2004，34（5）：22.

4 尹雨阳，雷辉，曾一兵，等.水性浅色防静电涂料的研制及其性能评价［J］.涂料工业，2015（9）：48-52.

5 沈剑平，张之涵，魏亮，等.高性能环保型聚氨酯地坪涂料［A］. 2012高装饰功能性建筑涂料及地坪涂料研讨会论文集［C］，2012：133-137.

6 伍忠岳，叶荣森，刘志刚.含—NCO双组分水性聚氨酯木器漆的应用研究［J］.现代涂料与涂装，2008（2）：25-26.7 朱德永，何帆.水性双组分聚氨酯防腐涂料配方［J］.中国涂料，2004（10）：37-39.

8 刘成楼，隗功祥.无溶剂环氧重防腐隔热导静电涂料的研制［J］.现代涂料与涂装，2012（2）：22-25，28.

9 沈海斌，刘琼馨，瞿研，等.石墨烯在涂料领域中的应用［J］.涂料技术与文摘，2014（8）：20-22.

10 黄坤，曾宪光，裴嵩峰，等.石墨烯/环氧复合导电涂层的防腐性能研究［J］.涂料工业，2015（1）：17-20.

11 李洪飞，王进华，扈中武，等.氧化石墨烯在膨胀型水性防火涂料中阻燃和抑烟作用研究［J］.涂料工业，2015（1）：1-8.

Development of Waterborne Light-Colored Anti-static Thermal Insulating Anticorrosion Coatings

Liu Chenglou，Tan Yong，Li Shuqin，Zheng Derong
（New Huadu Special Electric Co.，Ltd.，Beijing，101102，China）

The multifunctional coatings with anti-static，thermal insulating and anticorrosion was prepared by two components waterborne polyurethane as film former，titanium dioxide as pigment，aluminum zinc phosphate as anticorrosive pigment，conductive potassium titanate fibers and graphene as conductive filler and in the cooperation of functional additives. Results showed that film volume resistivity could reach 3.10×105Ω·m，solar absorptance could reach 0.50；hemispherical emissivity could reach 92%，salt fog resistance could reach 1 500 h. The good chemical resistance and weather resistance were also showed.

light-colored coatings；polyurethane coatings；anti-static；anticorrosion coatings

TQ 630.7

A

1009-1696（2017）06-0006-05

2017-05-27

刘成楼（1939—）男，高级工程师，主要从事各种功能型涂料的研发与服务工作，已发表科技论文近100篇，获国家发明专利30多项。