钢结构防腐用丙烯酸树脂涂料制备及性能研究*

饶 莲

（乌鲁木齐职业大学，新疆 乌鲁木齐 830000）

引 言

钢结构作为建筑材料中不可或缺的部分，其性能决定建筑的质量。但受材料特性的影响，在使用的过程中，易和空气中的水蒸汽发生反应，从而出现生锈腐蚀，使建筑钢结构使用寿命缩短。针对该问题，唐黎标、孙澜曦[1～2]等提出在钢结构表面涂装防腐涂料，从而起到防腐和减少摩擦的作用。但无论是国内，还是国外，制备高光泽和高耐介质性的防腐涂料一直是研究的重点。以美国和日本为例，其生产的丙烯酸树脂涂料产品在种类和质量方面，都拥有非常突出的优势。同时基于丙烯酸树脂涂料，人们从分散技术、生产工艺等方面都进行了大量研究，如Pathak S.S 等[3]从制备方法上引入有机硅，从而大大提高了水性涂料的耐腐蚀性能；Mazurek M 等[4]则将丙烯酸树脂与-NCO 固化剂进行反应，从而大大提高了涂料的耐介质性；国内针对丙烯酸树脂涂料的研究中，主要凭借树脂在高光泽和摩擦性能方面的优势，采用单组分成膜树脂或乳液，但成膜后的强度和硬度都普遍较低。对此，郭百超等[5]就有机硅改性丙烯酸树脂乳液进行了深入研究，并归纳了有机硅改性的效果；高胜庸等[6]则采用聚合法制备稳定的羟基丙烯酸酯聚合物乳液，然后掺入固化剂，进而表现出良好的耐摩擦性、光泽性等；董晓娜[7]等则采用纳米材料对丙烯酸树脂进行改性，以此大大提高了其耐酸碱腐蚀和导热性能。本研究在以上研究基础上，以溶液聚合法为主要方法，制备水分散型含羟基丙烯酸树脂，为钢结构防腐提供方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

本试验主要材料:丙二醇丁醚（PnB），济南远祥化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA），山东初鑫化工有限公司；丙烯酸丁酯（BA），山东巨和生物技术有限公司；甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA），山东力昂新材料科技有限公司；甲基丙烯酸（MAA），山东旭晨化工科技有限公司；叔碳酸缩水甘油酯（E-10P），武汉华翔科洁生物技术有限公司；过氧化苯甲酸叔丁酯（BPB），济南晶昊化工有限公司，（AR）；N,N-二甲基乙醇胺（DMEA），山东创赢化工有限公司，（AR）；固化剂DIC-5500，上海凯茵化工有限公司；流平剂（BYK-346），广州市斯涂源化工有限公司；消泡剂（BYK-902W），成都市恒亿化工产品有限公司。

本试验主要仪器：蠕动泵（BT100-2J），保定融柏恒流泵制造有限公司；傅里叶红外光谱仪（TH-22a），长沙市天恒科学仪器设备有限公司；60°角光泽仪（NHG60），深圳市三恩时科技有限公司；行星式球磨机（XQM-4），长沙天创粉末技术有限公司；鼓风干燥箱（101-2A），河北朵麦信息科技有限公司；差示扫描量热仪（DSC-750L），上海群弘仪器设备有限公司；静态接触角测试仪（PZ-500SD），北京品智创思精密仪器有限公司；耐盐雾试验机（YW-1-25），东莞市精域环境测试设备有限公司；精密电子天平（H0503），邢台智冠机械科技有限公司。

1.2 试验方案

1.2.1 水可分散型含羟基丙烯酸树脂基体的制备

采用溶液聚合法进行基体制备[4]，具体步骤为：

1）分别将45g PnB 和5g E-10P 放入干净装有机械搅拌杆的三口烧杯中，在油浴条件下将温度提升至140℃。在剩余E-10P 中加入一定量MAA、MMA、BA、HEMA 和90% 的引发剂BPB，充分混合。使用BT100-2J 型蠕动泵将混合溶液缓慢滴加至三口烧瓶中，滴加完成后进行保温，让反应单体聚合完全，设置滴加时间和保温时间分别为3h 和1h。

2）在一定量PnB 中溶入5%的BPB，缓慢滴加至三口烧瓶中，滴加完成后保温1h。再次称取一定量的PnB，溶入一定量PnB 中，继续缓慢滴加至三口烧瓶，然后将温度缓慢提升至150℃并保温1h，得到分子链端基具有-COOH 和-OH 的聚合物。

3）在快速搅拌的状态下，将一定量DMEA 缓慢滴入树脂中，继续快速搅拌30min，使DMEA 与聚合物端基的-COOH 发生中和反应生成盐，赋予树脂水溶性。中和反应结束后，在高速搅拌的状态下，加入一定量水，继续高速分散，分散时间为30min，得到水可分散型含羟基丙烯酸基础树脂。

1.2.2 色漆制备

将一定复配比例的填料、颜料、润湿分散剂、中和剂和消泡剂等水性助剂，加入到一定量的树脂中，其中，根据颜料种类对润湿分散剂用量进行适当调整。所有物料混合后，放入XQM-4 式行星式球磨机中，加入适量水调整色漆黏度。打开行星式球磨机高速模式，对混合物料进行研磨，球磨机转速和研磨时间分别为3000r/min 和4h。研磨结束后，用刮板细度计对色漆细度进行测量，若色漆细度小于20μm，用多层丝绢进行过滤。得到水可分散性含羟基丙烯酸色漆，色漆配方见表1。

表1 色漆配方Table 1 The paint formula

同时为对比本试验制备的涂料的优势，制备一定量的清漆。具体配比则如表2 所示。

表2 清漆具体配比Table 2 The specific proportions of varnish

1.2.3 测试样板的制备

提前将马口铁板或钢板用600 目砂纸进行打磨，然后用无水乙醇擦拭板面，除去板面的油污和金属氧化物粉末，擦拭干净后，静置10min，使无水乙醇挥发；再次用干净棉球将板面擦拭干净，将制备好的色漆喷涂在样板表面，置于恒温恒湿的室内环境下养护至表面干燥。将样板放入101-2A 型鼓风干燥箱中烘干，烘干温度80℃，时间30min。完全烘干后置于室温条件下养护7d，得到测试的钢或铁样板。

1.3 性能测试

本试验性能测试参照《水性丙烯酸树脂涂料标准》（HG/T 4758-2014），对丙烯酸漆膜性能进行测定[5]。

1.3.1 光泽度测试

在铁板表面刮涂厚度为150μm 的色漆，置于室温条件下养护7d，用NHG60 型60°角光泽仪测定漆膜光泽度。

1.3.2 耐介质性能测试

在配套板表面刮涂厚度为50μm 的涂料，置于101-2A 型鼓风干燥箱中烘干，烘干温度和时间分别为80℃和30min。取出样板后置于室温条件下保持7d，然后在样板四周用环氧树脂密封。将处理好的样板分别放入纯水、5%NaCl 溶液、5%HCl 溶液、5%NaOH 溶液中，测试漆膜失效时间，得到漆膜的耐水性、耐盐水性、耐酸碱性、耐盐雾性。将处理好的样板放入YW-1-25 型盐雾试验机，测试漆膜耐盐雾性能。

1.3.3 接触角测试

用PZ-500SD 型静态接触角测试仪对漆膜表面静态接触角进行测定，用椭圆法对接触角进行分析。具体过程是将完全干燥的样板平置，然后在试验样板上滴加一滴去离子水，待平衡后，用五点拟合椭圆形，计算接触角度。

1.3.4 固含量测试

用H0503 型精密电子天平精准称取树脂样品1g，放入底部平整的器皿中，使树脂在器皿底面形成均匀厚度的薄膜。置于101-2A 型鼓风干燥箱中烘干，烘干温度和时间分别为140℃和1h。将烘干后树脂样品取出，置于精密电子天平中再次进行称重。

2 结果与讨论

2.1 漆膜光泽度测试

表3 为漆膜光泽度测试结果。由表3 可知，不同单体引入量对漆膜光泽度有一定影响，但差别不大。MMA 引入量越多，漆膜光泽度越高。这是因为MMA 含量的增加，导致漆膜硬度和表面平整度随之提高，放射光更加均匀，进而提高了漆膜光泽度[7～8]。同时，随着涂料中溶剂量的减少，漆膜光泽度逐渐降低，表现出表干大于实干大于烘干的现象。这是因为减少溶剂后，漆膜中溶剂液体存在量也逐渐减少，造成的光反射也随之减少，因此漆膜的光泽度也随干燥程度降低。经过观察五组光泽度试验数据可知，本试验制备的水可分散型含羟基丙烯酸涂料漆膜平均表干光泽度大概为92Gu，实干光泽度大概为90.5Gu，烘干光泽度大概为88Gu，这就说明该漆膜的光泽度和光饱和度都比较高。

表3 漆膜光泽度测试结果Table 3 The glossiness test results of paint film

2.2 耐介质性能测试结果

表4 为漆膜耐介质性能测试结果，由表4 可知，随着玻璃转化温度的提升，漆膜内部交联程度也逐渐增加，让漆膜具有较好的耐介质性[9]。当玻璃转化温度不低于30℃时，漆膜耐水时间为48h，耐酸碱时间为24h，耐盐水时间为72h，耐盐雾时间为60h，证实漆膜除具有一定耐介质性外，特别对盐类物质耐受性能较高。

表4 漆膜耐介质性能测试结果Table 4 Test results of medium resistance of paint film

2.3 接触角测试结果

图1 为3#、4#、5#和6#树脂制备的漆膜接触角测试图。由图1 可知，随玻璃转化温度的增加，漆膜内部结构更为致密，漆膜表面更加平整，疏水性能良好。

图1 接触角测试图Fig. 1 The diagram of contact angle test

2.4 固含量测试结果

表5 为制备的树脂样品固含量测试结果。由表5 可知，合成树脂理论固含量为45.05%，实际固含量约为39.5%，固含量损失约为12%。这是因为在单体发生共聚反应时，无法达到100%聚合[10]。发生共聚反应时，还伴随有少部分副反应发生，生成小部分低分子酯类物质，使得产品实际固含量受到一定影响，进而导致固含量测试值与理论值发生一些偏差。但实际固含量仍为40%左右，满足市售标准。

表5 树脂样品固含量测试结果Table 5 The solid content test results of resin samples

3 结 论

本文以溶液聚合法制备了水可分散型含羟基丙烯酸树脂，并对该丙烯酸树脂涂料的性能进行研究，得到的具体结论如下：

（1）漆膜表干光泽度、实干光泽度和烘干光泽度相差不大，具有较高的光泽度和光饱和度。

（2）玻璃转化温度≥30℃时，漆膜耐水时间为48h，耐酸碱时间为24h，耐盐水时间为72h，耐盐雾时间为60h，具有优良的盐类耐受性能。

（3）玻璃转化温度增加，漆膜内部结构致密，表面平整光滑，具有优良的疏水性能。

（4）固含量测试值为40%，满足市售标准。

综上，本文制备的水可分散型含羟基丙烯酸树脂在玻璃转化温度不低于30℃的条件下，具有较高的耐介质性能和光泽度， 符合国家标准GB50205-2001，可以用于建筑工程中钢结构防腐和机械设施保护。