钢结构用水性环氧底漆的研制

张 原 （迪恩特涂料（上海）有限公司，上海 201619）

0 引言

近年来，随着国家和人民对环境保护越来越重视，国家与地方政府陆续颁布了许多关于环境保护的法律法规，其中特别是对VOC（挥发性有机化合物）排放的控制变得越来越严格，对涂料生产厂商来说，传统涂料产品的升级换代迫在眉睫。一般采用以下两种方法来减少VOC的排放：第一种方法是通过提高产品的固含量来减少VOC的排放，比如溶剂型高固体分涂料、无溶剂涂料与粉末涂料等；第二种方法是生产水性产品来减少VOC的排放。

环氧树脂以其耐化学腐蚀性优异、与金属底材的附着力强、刚性强、耐磨性好等特点成为涂料中被应用的主要树脂品种之一，尤其是在钢结构上被广泛使用。水性环氧乳液除了具有溶剂型环氧树脂的诸多优点之外，还大大降低了有机溶剂的用量，同时以水作为分散介质，气味更低，运输和使用过程中安全性也大幅提高，更符合环保的要求。本研究制备了一种钢结构用水性环氧底漆，并对影响漆膜性能的各种因素进行了探讨。

1 试验部分

1.1 原材料

水性环氧乳液，Huntsman；水性环氧固化剂，Huntsman、同德树脂；金红石型钛白粉，东方钛业；硫酸钡，陕西富化；碳酸钙，江西广源；滑石粉，合山化工；气相二氧化硅，赢创；三聚磷酸铝，广西新晶；润湿分散剂，毕克；防沉剂，赢创；消泡剂，赢创、毕克、上海苍洪；底材润湿剂，空气化学等；成膜助剂，上海嘉荣；增稠剂，陶氏化学、海名斯；防闪锈剂与防腐剂，上海宜添。

1.2 试验仪器

振荡机、高速分散机、电子天平、25 μm细度板、烘箱、玻璃板、150 μm湿膜制备器、250 μm湿膜制备器、铁质膜厚仪。

1.3 试验方法

（1） 根据配方（见表1）将水与润湿分散剂、pH调节剂预先搅拌混合均匀，然后在搅拌下加入消泡剂，待充分搅拌后，边搅拌边缓慢添加钛白粉，持续搅拌至钛白粉均匀地分散在树脂溶液中，最后缓慢地加入硫酸钡、碳酸钙、三聚磷酸铝、滑石粉与气相二氧化硅，搅拌均匀，制得颜料浆。

（2） 把玻璃珠放入预搅拌好的颜料浆中，并置于振荡机中振荡至细度<20 μm，取出，过滤。

（3） 搅拌的情况下，依次缓慢地加入剩余的原料，并且在每个原料添加完毕后，保持搅拌3 min，直至最后一个原料添加完毕，制得A组分，过滤，待用。

（4） 在环氧固化剂中加入少量的水，一边搅拌一边进行稀释，制得B组分，过滤，待用。

表1 水性环氧底漆（白漆）的配方Table 1 The formulation of waterborne epoxy primer（white）

2 结果与讨论

2.1 试验结果

将A、B组分按照质量比10∶1的比例进行混合，并静置5 min后，采用符合SPCC（美国防护涂料协会）标准的钢板进行喷涂，然后在恒温恒湿室放置7 d后，按照国标的试验方法进行性能检测，检测结果如表2所示。

2.2 环氧树脂与固化剂的配比对漆膜性能的影响

环氧树脂与固化剂的配比对最终的漆膜性能有很大影响。当环氧树脂的环氧基与固化剂的活泼氢的物质的量比为1∶1时，成膜后漆膜的交联密度较高，漆膜硬度较高，耐化学品性与耐溶剂性好，但是此时的漆膜很脆，耐冲击性不好，附着力也一般。通常的做法是使环氧树脂稍过量，这样形成的漆膜既有一定的柔韧性，又有很好的耐化学品性与耐溶剂性。环氧基与活泼氢的物质的量比与漆膜柔韧性之间的关系详见表3。

表2 水性环氧底漆的性能检测结果Table 2 The performance test results of waterbore epoxy primer

表3 环氧基与活泼氢的物质的量比与漆膜柔韧性之间的关系Table 3 The relationship between the molar ratio of epoxy group and active hydrogen and the film flexibility

表3结果表明，当环氧基过量20%~30%时，漆膜柔韧性较好。

2.3 颜料体积浓度（PVC）对漆膜性能的影响

体系的PVC对最终的漆膜性能也有一定的影响。理论上，随着体系PVC的增加，涂料的成本会降低，起泡率与漆膜柔韧性也逐渐降低。当PVC

表4 体系PVC对漆膜柔韧性与耐盐雾性的影响Table 4 Effect of system’s PVC on the flexibility and salt fog resistance of the film

表4结果表明，体系的PVC在35%~40%时，漆膜的综合性能最优。

2.4 消泡剂对漆膜性能的影响

在水性环氧涂料体系中，水性乳液与润湿分散剂中均含有表面活性剂的成分，经过高速搅拌后，易产生大量的气泡，同时体系中的增稠剂也起到稳泡作用。而这些气泡如果不及时消除，会影响涂料的开罐性，在施工过程中，还会影响漆膜的性能，尤其当喷涂漆膜过厚时，会出现细微的针孔，从而影响漆膜的防腐性能，所以消泡剂的选择至关重要。同时需要严格控制消泡剂的用量，消泡剂过量，可能会导致最终漆膜出现缩孔、鱼眼、重涂性差等问题；消泡剂添加量不足，起不到彻底的消泡效果。

本研究分别对赢创、毕克与上海苍洪实业公司的几款消泡剂进行了筛选试验，结果发现，矿物油类消泡剂在水性环氧乳液中的消泡效果不明显，并且在施工后漆膜容易产生微泡；有机硅氧烷类消泡剂在水性环氧乳液体系中的消泡效果明显，特别是将毕克与赢创的消泡剂复配使用时，能达到消泡快，抑泡时间长的效果，同时在施工后，微泡快速消失。

2.5 增稠剂对漆膜性能的影响

增稠剂用于解决涂料贮存和施工过程中的问题，它可分为中、低剪切增稠剂与高剪切增稠剂。增稠剂在涂料配方中主要起到两方面的作用：一是在涂料静置时防止颜填料沉降，提高开罐性能；二是在施工时，使涂料具有良好的流平性和抗流挂性。

在水性环氧乳液中加入水性环氧固化剂后，整个体系的黏度会有明显的下降，而用于钢结构上的水性环氧底漆通常要求1道喷涂的膜厚需达到40~50 μm以上，这就对底漆的抗流挂性要求更加苛刻，对增稠剂的增稠效果要求更高。

市售的增稠剂一般有4种：第1种是纤维素类增稠剂；第2种是碱溶胀型增稠剂；第3种是聚氨酯缔合型增稠剂；第4种是无机类增稠剂，如膨润土和气相二氧化硅。第1种和第2种增稠剂会影响最终漆膜的耐水性，一般在工业涂料中不常用。在工业涂料，特别是钢结构用水性环氧涂料中一般采用中、低剪切增稠的聚氨酯缔合型增稠剂或气相二氧化硅来防止颜填料的沉降，用膨润土来改善涂料喷涂后的抗流挂性。

试验表明，采用赢创的气相二氧化硅、陶氏化学的聚氨酯增稠剂与海名斯的膨润土进行复配，在适宜的施工黏度下，涂料的抗流挂性达到275 μm。

3 结语

通过水性环氧乳液/水性环氧固化剂的合理搭配，各种助剂的选择及颜料体积浓度的计算，研制出满足标准要求的钢结构用水性环氧底漆。该水性底漆的VOC含量低，符合国家对环保的要求，具有广阔的应用前景。