环保型金属三防涂料的制备及其性能研究

刘 杰，江李贝，申乾宏，阙永生，吴春春，李 跃，盛建松，樊先平，杨 辉

（1.浙江大学台州研究院，浙江台州 318000；2.浙江大学浙江加州国际纳米技术研究院，浙江杭州 310027）

0 引言

一直以来，金属材料具有极高的性能价格比以及优异的加工性能，这使其在生产、生活中得到了广泛的应用，并在材料领域占据着十分重要的地位［1］。但与此同时，金属的腐蚀对国民经济带来的损失也是惊人的，金属的防腐研究一直是热点话题。

金属的防腐主要有以下几种方法：（1）提高金属材料内在的耐蚀性能：采用不易与周围介质发生反应的金属及合金材料来加工产品；（2）涂、镀保护层：在金属表面上涂覆保护层，借以隔开金属与腐蚀介质的接触，从而减少腐蚀；（3）处理腐蚀介质：改变腐蚀介质的性质，降低或消除介质中的有害成分以防止腐蚀；（4）电化学保护：用直流电改变被保护金属的电位，从而使腐蚀减缓或停止［2］。其中，涂镀保护层法使用范围最为广泛，防腐涂料因此应运而生。

过氯乙烯涂料是一种传统的金属三防涂料，可赋予产品防水、防腐、防潮、防霉等功能，至今在诸多领域仍被广泛应用［3］。其产品具有寿命长、施工方便等特点，长期浸泡在水里时，其寿命可达50 a 之久。但是，由于过氯乙烯树脂遇热容易分解，在80～90 ℃下就开始缓慢分解，当达到145 ℃以上时即分解放出氯气，对环境造成污染，且树脂分解后容易出现漆膜颜色变深、韧性变差，漆膜变脆并出现开裂等问题，耐腐蚀性降低。采用单一的过氯乙烯树脂配制的涂料，普遍存在环保性差、涂层附着力及硬度不高等缺陷，导致涂层易划伤、剥落，工件重涂返修率较高等问题［4］。由于以上缺点，大大限制了过氯乙烯涂料在一些领域中的使用。

本研究采用一种新型的聚合物硅溶胶作为成膜物质，制得硅系三防涂料并将其与传统的过氯乙烯涂料进行了性能对比，结果表明，其VOC（挥发性有机化合物）排放少、安全性高，可极大地改善涂装环境，且在金属、玻璃钢等基底表面均具有较高的附着力［5］。相较于过氯乙烯三防涂料，其具有较高的硬度，以及良好的三防性能及耐久性。

1 试验部分

1.1 主要原料

聚合物硅溶胶，金华格灵功能涂层材料研究所有限公司；乙醇、异丙醇，分析级，国药集团有限公司；色浆（草绿），自制；过氯乙烯涂料，市售。

1.2 测试试剂

4109 润滑油，润康油脂销售中心；YH-10 液压油，伦教硕油润滑油有限公司；120#航空洗涤汽油，苏州高新区大野工贸销售服务中心；RP-3 喷气燃料，武汉卡诺斯科技有限公司；7007 航空油：中航航特有限公司。

1.3 涂料及样板制备

将上述制备好的涂料按质量比4∶1 加入固化剂，搅拌均匀，熟化30 min，在6061 铝合金样板上喷涂，常温固化16 h。同时将市面上采购的过氯乙烯涂料也进行喷涂制板，常温固化。固化完成的样板放好备用。

2 结果与讨论

2.1 耐胶带性

按照国军标GJB 5591—2006 对漆膜进行耐胶带测试（图1），由图1 可以看出，过氯乙烯涂层与基材的附着力较差，出现了整体脱落的现象。而硅系三防涂层的外观完好，无明显变化。

图1 耐胶带测试后的涂层外观Figure 1 The appearance of the coating after the tape-resistant test

附着力是防护涂层发挥功能特性的基础，直接决定了涂层的防护寿命。聚合物硅溶胶富含羟基、羧基等多种极性基团［6］，通过涂料与基底间极性基团的缩合反应，实现涂层在多种基底表面的牢固结合。

2.2 耐溶剂性

将棉片沾取适量丙酮溶液，分别在喷涂了市售过氯乙烯涂料以及硅系三防涂料的样板表面擦拭25次，结果见图2。图2 显示，过氯乙烯涂层出现了部分脱落的现象，而硅系三防涂层的外观完好，无明显变化。这说明过氯乙烯涂层的耐溶剂性能极差，这是因为过氯乙烯涂料是随着涂料中的溶剂挥发而固化成膜，附着于基材表面的［7］，当用丙酮作为溶剂进行擦拭时，丙酮渗透入涂层中，使得部分涂层溶解于丙酮，基材裸露。

图2 耐溶剂测试后的涂层外观Figure 2 The appearance of the coating after the solvent-resistant test

2.3 耐水性

分别将喷涂了市售过氯乙烯涂料以及硅系三防涂料的样板放入38 ℃的去离子水中浸泡96 h 后取出，进行一系列的测试，结果见图3。由图3 可见，喷涂过氯乙烯涂料的样板涂层脱落，而喷涂了硅系三防涂料的样板，涂层仅发生轻微变色，漆膜整体保持完好。使用划格法对其进行附着力测试也可以发现，市售过氯乙烯涂料的涂层无附着力数据，而硅系三防涂层的附着力可以达到0 级，明显优于过氯乙烯涂层。这说明，过氯乙烯涂层仅仅是遮盖于基材表面，当腐蚀介质渗入涂层与基材中间后，涂层容易出现整体剥落的现象，导致其力学性能下降，而硅系三防涂层与基材之间是通过化学键的方式相结合的，腐蚀介质不易渗入涂层与基材中间，涂层附着力良好，性能优异。

图3 耐水性测试Figure 3 The test of water resistance

试验还对涂层的硬度进行了测试，过氯乙烯涂层的硬度无实际数据，而硅系三防涂层的硬度可以达到2H，抗冲击性能亦如此，过氯乙烯涂层的抗冲击性能不佳，硅系三防涂层的抗冲击性能可以达到45 kg/cm。这是因为，硅溶胶的加入增加了涂层的硬度，同时，涂层的韧性并未受到影响，仍然表现出优异的抗冲击性能。

2.4 耐油性

作为基材的保护膜，涂层的耐油性也是表征其性能的一个十分重要的指标。过氯乙烯涂层与基材的附着力差，在使用过程中，油脂容易渗入涂层与基材中，使得涂层剥落，影响其使用。同时，过氯乙烯涂料为有机涂料，其涂层有可能溶于油脂，进而导致涂层遭到破坏，性能下降。而硅系三防涂料为无机涂料，其涂层的耐油性要明显优于过氯乙烯涂层。

2.4.1 耐7007 航空油

经过治疗后,观察组有20例有效,临床治疗有效率是95.24%,对照组有14例有效,临床治疗有效率是66.67%,对两组的一般性资料对比不存在统计学差异性(P<0.05)。

分别将喷涂了市售过氯乙烯涂料以及硅系三防涂料的样板放入23 ℃的7007 航空油中浸泡96 h 后取出，进行一系列的性能测试，结果发现，喷涂过氯乙烯涂料的样板在擦拭时，涂层被航空油溶解，而喷涂了硅系三防涂料的样板，涂层外观无明显变化，漆膜整体保持完好。硅系三防涂层附着力可以达到0 级，硬度可以达到2H，其抗冲击性能可以达到45 kg/cm。

2.4.2 耐4109 润滑油

分别将喷涂了市售过氯乙烯涂料以及硅系三防涂料的样板放入121 ℃的4109 润滑油中浸泡24 h 后取出，进行一系列的性能测试，结果发现，喷涂过氯乙烯涂料的样板在擦拭时，涂层完全被润滑油溶解并脱落，而喷涂了硅系三防涂料的样板，涂层外观无明显变化，漆膜整体保持完好。硅系三防涂层的附着力达到0 级，硬度达到2H，抗冲击性能可以达到40 kg/cm。

2.4.3 耐YH-10 液压油

分别将喷涂了市售过氯乙烯涂料以及硅系三防涂料的样板放入66 ℃的YH-10 液压油中浸泡24 h 后取出，进行一系列的性能测试，结果发现，两种涂层外观都保持完好，并无明显变化。在对两种涂层进行附着力、硬度以及抗冲击测试中发现，过氯乙烯涂层的附着力较差，出现涂层整体剥落的现象，硅系三防涂层的附着力为0 级；过氯乙烯涂层的抗冲击性能也较差，漆膜虽无明显破损，但漆膜与基材脱离，出现鼓包；而硅系三防涂层的抗冲击性能达到40 kg/cm；两者的硬度都达到了2H。

2.4.4 耐120#航空油

分别将喷涂了市售过氯乙烯涂料以及硅系三防涂料的样板放入23 ℃的120#航空油中浸泡24 h 后取出，进行一系列的性能测试，结果发现，两种涂层外观都保持完好，并无明显变化。在对两种涂层进行附着力、硬度以及抗冲击测试中发现，过氯乙烯涂层的附着力较差，涂层容易出现整体剥落的现象，从而导致其抗冲击性能下降，硬度也仅达到1H；而硅系三防涂层的附着力较好，可达到0 级，硬度达到2H，抗冲击强度为40 kg/cm。

2.4.5 耐RP-3 喷气燃料

分别将喷涂了市售过氯乙烯涂料以及硅系三防涂料的样板放入23 ℃的RP-3 喷气燃料中浸泡168 h后取出，进行一系列的性能测试，结果发现，过氯乙烯涂层出现了起泡现象。而硅系三防涂层的外观完好，无明显变化。在对两种涂层进行附着力、硬度以及抗冲击测试中发现，过氯乙烯涂层的附着力较差，涂层容易出现整体剥落的现象，从而导致其抗冲击性能下降，硬度也仅达到1H。而硅系三防涂层的附着力较好，可达到0 级，硬度达到了2H，抗冲击强度为40 kg/cm。

3 结语

总之，过氯乙烯涂层与基材的附着力极差，进而导致其耐溶剂性、耐胶带、耐水性、耐油性都出现了下降，而硅系三防涂层的附着力要明显优于过氯乙烯涂层。这主要是因为聚合物硅溶胶富含羟基、羧基等多种极性基团，涂料与基材间发生了缩合反应，使得涂层与基材表面通过化学作用力牢固结合，腐蚀介质难以渗入到涂层与基材之间，涂层耐水、耐油性能优异。同时，聚合物硅溶胶的加入，使得涂层的硬度得到了提升，涂层的耐刮擦性能也得到了改善。