带锈涂装纳米复合环氧涂料的性能研究

张 博

（浙江大学舟山海洋研究中心，浙江 舟山 316021）

舟山是我国第一个以群岛建制的地级市，是我国重要的现代海洋产业基地。而作为沿海城市，船舶行业自然而然是舟山的支柱产业，也是舟山的海洋特色产业，舟山船舶工业产值规模超过全市总量的1/3，事关舟山经济发展大局[1]。而船舶的维修服务由于其特有的可持续性，在整个船舶工业中又占据举足轻重的地位。船体的绝大部分破坏都直接或者间接源自环境的腐蚀[2]。据统计，每年因腐蚀造成的直接经济损失占国民生产总值的1.5%～4.2%，其中10%～30%是由海洋腐蚀造成的[3-4]。目前，在船舶维修行业，涂料涂装防腐是应用最广泛，也是最有效和经济的方法。金属表面在涂装前必须除去引起腐蚀的各种有害因素，如附着物，同时通过处理使材料表面获得一定粗糙度，增加涂膜附着力。因此，涂装前的表面处理是施工过程中不可缺少的工序，是保证涂层质量的重要环节。

在船舶行业，前处理通常采用喷砂打磨的方法。该方法简单高效，但喷砂过程中的粉尘和噪声会严重危害施工人员的身体健康，而且对于某些复杂结构的作业面也难以打磨完全，成本也较高。为解决这一问题，低表面处理的带锈涂装涂料应运而生，成为国内外的研究热点[5-7]。实践证明，涂料带锈涂装可以有效降低和简化前处理工艺，缩短施工工期，降低施工成本，经济效益显著[8]。本文在传统的环氧富锌涂料基础上，添加自制的纳米防锈颜料，并对新制备的涂料的各项理化性能进行测试。

1 试验

1.1 试验原料及设备

本次试验制备涂料为双组分涂料，分为甲组分涂料和乙组分固化剂，制备涂料终产品时质量比为10∶1，所需原料分别如下。

1.1.1 甲组分涂料

凤凰牌环氧树脂E-44（6101），南通星辰合成材料有限公司；二甲苯，国药集团化学试剂有限公司；正丁醇，国药集团化学试剂有限公司；正丁醚，上海五联化工厂有限公司；纳米复合防锈颜料，自制，细度为800 nm左右，主要成分为纳米ZnO改性粉体；锌粉，国药集团化学试剂有限公司；磷酸锌（1 250目）、有机膨润土（400目）、云母粉（1 250目），常州市禹恩新材料科技有限公司。

1.1.2 乙组分固化剂

650聚酰胺，帆啸化工科技有限公司；二甲苯、正丁醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

本次试验所用主要仪器设备为金坛区白塔新宝仪器厂生产的JJ-1B恒速电动搅拌器，带数显屏，可根据需要设定转速以及时间，调速范围为0～3 000 r/min；

LP750盐雾试验箱，上海林频仪器股份有限公司；QCJ-50漆膜冲击器，天津市科信试验机厂。

1.2 涂料制备

根据实验室所用涂料容器的容积（2 L）及搅拌机的功率，设定单次试验涂料制备量为2 kg。其中，甲组分各项原料的配比如表1所示。

表1 甲组分配方

取环氧树脂、正丁醇、正丁醚及二甲苯放入容器混合，用搅拌机以500 r/min的转速搅拌30 min。同时，另取容器，分别放入自制纳米防锈颜料、磷酸锌、锌粉以及云母粉三种粉末，用勺子手动搅拌使其混合均匀。待之前的搅拌机搅拌结束得到澄清溶液后，将手动搅拌后的粉末倒入，然后放入有机膨润土，先用搅拌棒进行手动搅拌，之后用搅拌机以500 r/min转速搅拌20 min。搅拌结束后，静置20 min使其充分润湿分散。最后将转速设为1 400 r/min，并搅拌90 min后，得到甲组分涂料。

按照甲组分与乙组分质量比为10∶1配制200 g乙组分固化剂，其原料配比如表2所示。取相应的三种原料，用搅拌机以500 r/min低速搅拌20 min。之后将其倒入甲组分中，用搅拌机低速搅拌15 min，得到最终所需涂料，如图1所示。

表2 乙组分配方

图1 涂料终产品

2 性能测试及结果讨论

2.1 性能测试试验

本次试验期间，所有性能测试主要选用尺寸为150 mm×70 mm×1 mm的钢板，其中耐冲击性测试选用120 mm×50 mm×0.28 mm的马口铁板。除耐冲击性外，其余性能均进行无锈钢板和生锈钢板涂刷后的性能对比。

所以，钢板需进行人工生锈处理，处理后的钢板如图2所示。

图2 处理后的带锈钢板

用刷子将最终制得的涂料均匀涂刷于测试样板上，然后静置5 d使其发生充分的固化反应，如图3所示。之后，分别对涂料的耐冲击性、硬度、附着力、耐盐水性和耐盐雾腐蚀性进行测试和对比。

图3 涂刷涂料后的测试样板

2.2 力学性能

分别按《色漆和清漆 快速变形（耐冲击性）试验第1部分：落锤试验（大面积冲头）》（GB 20624.1—2006）、《色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度》（GB 6739—2006）、《色漆和清漆 漆膜的划格试验》（GB 9286—1998）对涂料的耐冲击性、硬度和附着力进行测试，测试结果如表3、图4、图5和图6所示。从表3可以看出，带锈钢板涂刷后的性能等于或优于无锈钢板。这是因为带锈钢板的铁锈之间存在许多空隙，而纳米粒子的小尺寸效应使其可以填充到这些空隙中，形成致密、稳定的复合结构，同时由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积及表面缺氧等特点，纳米粒子表现出极强的活性，可显著提高涂料的强度[9]。

表3 涂料力学性能

图4 耐冲击性测试

图5 铅笔硬度测试

图6 附着力测试

2.3 耐腐蚀性能

分别按《色漆和清漆 耐液体介质的测定》（GB 9274—1988）、《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》（GB 1771—2007）对涂料的耐盐水性和耐盐雾腐蚀性进行测试，测试结果如图7、图8及表4所示。

图7 耐盐水性测试

图8 耐盐雾腐蚀性测试

表4 涂料耐腐蚀性能

可以看出，无论是否带锈，涂料的耐腐蚀性均表现较好。而普通涂料涂刷于带锈钢板上，往往耐腐蚀性较差，因为锈层阻碍了涂料与钢板基层的结合，同时锈层中的活性组分会加速涂层的破坏，如β-FeOOH。而添加了自制纳米防锈颜料之后的涂料，一方面其中的氧化锌、亚氧化钛等活性物具备良好的耐腐蚀性和稳定性，可以改善涂料的防护性能，另一方面亚氧化钛又可以与锈层中的活性组分如β-FeOOH反应，将其转化为惰性的α-FeOOH和Fe3O4等成分，使其成为涂层中的防锈填料，提升了涂料的整体性能[10-11]。

3 结论

添加自制纳米防锈颜料的涂料，涂刷在带锈钢板上之后，其耐冲击性和附着力与涂刷在无锈钢板持平，而硬度优于后者。耐腐蚀性方面，带锈钢板涂刷涂料，能达到与无锈钢板一致的耐盐水腐蚀性和耐盐雾腐蚀性。添加自制纳米防锈颜料后的涂料，在带锈钢板上的各项性能均不劣于无锈钢板，满足使用要求，因此可以涂刷在经过简单前处理后的带锈船体钢板上，精简了烦琐的前处理过程，大大降低了工艺成本，具有广泛的市场应用前景。