工程机械用水性环氧底漆的制备及性能研究

掌婷婷，杨挺秀 （上海华谊精细化工有限公司，上海 200062）

0 引言

基于“绿色、环保、可持续发展”的战略路线，我国在涂料化工领域陆续出台了许多相关的环保政策。水性涂料已成为工业防腐研究的一个重要发展方向［1］。2015 年以来，随着工业漆由油性转水性的推广应用程度不断加深，以及水性环氧与固化剂技术的日益成熟，使得水性涂料在工程机械领域［2-3］的应用得到了越来越多涂料涂装企业的认可。

工程机械的涂装流程［4］一般为：底材喷砂处理→清理底材至无油无尘→喷涂底漆→流平30~40 min（无烘烤）→喷涂聚氨酯面漆→流平10~20 min →烘道（60~80 ℃）烘烤。为了确保涂装效率，要求作为底漆的成膜物质具有快速表干的特性，且最终涂层的性能要满足HG/T 4339—2012《工程机械涂料》的要求。

水性双组分环氧底漆［5］的固化机理是环氧乳液［6］与环氧胺类固化剂在溶剂挥发过程中，环氧基团与胺基反应，最终形成三维立体网状结构，漆膜表现出优异的附着力、耐水性、耐腐蚀性等特点。本研究开发了一种水性双组分环氧底漆，适用于“两涂一烘”工艺的工程机械用涂料，探究了环氧乳液与固化剂成膜物质体系、助溶剂，颜基比对漆膜性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料

STW602，STW602K，STW703B，STW703D，华谊精化；竞品固化剂，市售；丙二醇甲醚（PM）、丙二醇乙醚（PE）、丙二醇甲醚醋酸酯（PMA）、丙二醇正丁醚（PNB）、二丙二醇甲醚（DPM）、二丙二醇正丁醚（DPNB）、丙二醇苯醚（PPH）、分散剂、消泡剂、钛白粉、氧化铁黑、防锈颜料、硫酸钡、滑石粉、基材润湿剂、增稠剂、亚硝酸钠、去离子水等，均为市售。

1.2 仪器设备

JA5001 电子天平，上海精天电子仪器有限公司；高速分散机，上海赛杰化工设备有限公司；篮式砂磨机，上海现代环境工程技术有限公司；Q-FOG 盐雾箱，美国Q-Lab 公司。

1.3 水性环氧底漆的制备

1.3.1 配方水性环氧底漆的基础配方见表1。

表1 水性环氧底漆的基础配方Table 1 Basic formula of waterborne epoxy primer

1.3.2 水性环氧底漆的制备

（1） A 组分的制备

研磨水浆：将去离子水、助溶剂、分散剂，消泡剂加入到研磨缸中，在搅拌状态下，加入钛白粉、氧化铁黑、防锈颜料、硫酸钡、滑石粉等颜填料，待无粉状物质时，将研磨缸放置到篮式砂磨机上，通循环冷却水，研磨分散至细度小于30 μm 后，过滤备用。

制漆：在研磨缸中加入环氧乳液、颜填料水浆、基材润湿剂、增稠剂，充分搅拌1 h，过滤、出料。

（2） B 组分的制备

水溶性固化剂用去离子水兑稀后加入防闪锈剂，搅拌均匀，备用；乳液型固化剂直接使用。

（3） 双组分混合

将A、B 组分按一定比例混合，搅拌均匀，并用去离子水稀释至涂-4 杯黏度30~40 s，然后用120 目（125 μm）滤布过滤。

1.4 性能测试

1.4.1 样板制备

水性环氧底漆采用空气喷涂，在喷涂前，用去离子水将底漆黏度调整至30~40 s。

机械性能测试样板：采用马口铁板，先用180 目（80 μm）砂纸打磨，再用乙醇擦拭干净。

耐盐雾性测试样板：采用1 mm 厚的冷轧钢板，先用乙醇除去其表面的油污，然后用180目砂纸打磨，再用乙醇擦拭干净。喷涂后的样板在温度（23±2） ℃、湿度（50±5）%的恒温室中养护7 d 后，进行封边处理。

1.4.2 性能测试

涂层性能检测项目与检测方法见表2。

表2 涂层性能检测项目与检测方法Table 2 Performance test item and method of the coating

2 结果与讨论

2.1 环氧乳液与固化剂体系对漆膜性能的影响

2.1.1 环氧乳液对漆膜干性的影响

环氧树脂作为主要的成膜物质对漆膜的性能影响重大，不仅要润湿分散颜填料，而且要与固化剂固化成膜，提供良好的物理化学性能。本研究选用STW602 和STW602K 环氧乳液，分别与固化剂STW703D 搭配，测试不同膜厚下漆膜的表干时间，结果如表3 所示。由表3 可见，随着膜厚的增加，表干时间延长，且STW602 的干性明显慢于STW602K，这是因为STW602 中有部分小分子环氧，降低了漆膜的Tg，在固化成膜阶段，漆膜表干时间延长。故为满足施工要求，A 组分采用STW602K 环氧乳液为成膜物。

表3 环氧乳液对漆膜干性的影响Table 3 The influences of epoxy emulsion on dryness of coating film

2.1.2 水性环氧固化剂对漆膜性能的影响

水性环氧固化剂作为成膜树脂的重要组成部分，提供伯、仲胺基与环氧基团反应，最终固化成膜。常用的市售环氧固化剂一般为水溶性自乳化胺类固化剂，相对于乳液型固化剂，其分散均匀，对环氧乳液的渗透性强，反应比较充分。本研究选择了3 款水溶性环氧胺类固化剂，分别是STW703B、STW703D，以及竞品固化剂。

不同固化剂对涂层性能的影响见表4。从表4 中可以看出，就涂层表干速度而言，STW703B ＞ STW703D ＞竞品固化剂。划格附着力、正向冲击性，三者相当。采用STW703B 时，反向冲击，漆膜剥落，其它2 个固化剂涂层韧性较好，均可通过。就耐盐雾性而言，采用STW703B 时，涂层耐盐雾400 h 剥离3 mm，无法满足要求。竞品固化剂和STW703D 涂层的耐盐雾性能均能满足要求。分析原因，竞品固化剂和STW703D 分别与环氧乳液交联固化成膜时，漆膜柔韧性比较好，能有效释放漆膜收缩产生的应力，增强与基材的附着力，获得更强的抗剥离强度，故涂层的耐盐雾性能亦较好。综合考虑涂层干性、韧性与耐盐雾性，B 组分采用STW703D 固化剂。

表4 不同固化剂对涂层性能的影响Table 4 Effect of different kinds of curing agents on the properties of the coating film

2.1.3 环氧基与活泼氢的物质的量之比对漆膜性能 的影响

在水性环氧底漆中，作为成膜物质的环氧乳液与固化剂的配比不同，涂膜的性能也不一样。环氧乳液呈胶粒形态，与胺的相互反应程度比油性体系差，所以通常会选择环氧过量。但若环氧过量太多，漆膜致密度会降低，反而影响最终涂层的耐性；若胺过量，未参与反应的胺会迁移至涂膜表面，影响涂层的耐盐雾性能。

本研究选用STW602与STW703D作为成膜物质，考察环氧基与活泼氢的物质的量之比对漆膜性能的影响，试验结果如表5 所示。从表5 中可知，当环氧基与活泼氢的物质的量之比为1∶1 时，漆膜的反向冲击不通过，韧性表现差，耐水7 d 后附着力为0 级，耐盐雾400 h，单边剥离3.5 mm，不能满足使用要求。当环氧基与活泼氢的物质的量之比为1.25∶1 时，漆膜的反向冲击、耐水性均通过，耐盐雾性亦有明显提高。进一步将二者之比提高至1.5∶1 时，漆膜的反向冲击通过，耐盐雾性能更好，但耐水性稍差。分析其中原因，随着固化剂用量的减少，漆膜的致密性下降，残留的胺较少，亲水性亦降低，漆膜韧性增加，耐水性变差，耐盐雾性上升。综合考察，选择环氧基与活泼氢的物质的量之比1.25∶1。

表5 环氧基与活泼氢的物质的量之比对涂层性能的影响Table 5 Effect of the molar ratio of epoxy group and active hydrogen on the properties of the coating

2.2 助溶剂的选择

在制备水性环氧底漆的过程中，一般都需要加入助溶剂，调节溶剂的挥发梯度，帮助环氧乳液与固化剂更好地成膜，从而获得性能优良的涂膜。

本研究选择了几种不同的助溶剂，考察其对STW602K 乳液体系的影响，结果见表6。从表6 中可见，直接将PM 或PE 加入到乳液中，乳液状态不稳定，出现返粗问题，细度可达50 μm。其它助溶剂则对乳液状态无影响。通过试验验证发现，若把PM 或PE 兑稀后加入到环氧乳液中则不会出现返粗的问题。从乳液单独的表干状态可知，使用较低沸点溶剂PM 或PE，乳液表干后均呈白色且开裂无附着力状态。使用PMA，15 ℃时漆膜呈半透明状，23 ℃时则呈透明状。选择其它溶剂，漆膜均呈透明状，这是因为高沸点、慢干溶剂降低了最低成膜温度，乳液微粒发生溶解和溶胀，最终形成透明连续的漆膜。基于干性及成膜的角度考虑，选择PM 和PNB 作为助溶剂。

表6 不同助溶剂对环氧乳液性能的影响Table 6 Effect of different kinds of co-solvents on the properties of epoxy resin emulsion

2.3 颜基比对漆膜性能的影响

本研究选择钛白粉、氧化铁黑、磷酸锌、硫酸钡，滑石粉作为颜填料，考察了颜基比分别为2.6∶1、2∶1、1.4∶1 的水性环氧底漆的性能，按物质的量之比1.25∶1，配套STW602K 环氧乳液和STW703D 固化剂，结果如表7 所示。从表7 中可以看出，随着颜基比的降低，乳液含量增多，表干时间逐渐变慢，漆膜柔韧性和正向冲击无差异。当颜基比为2.6∶1 时，漆膜反向冲击、耐水性和耐盐雾性较差，这可能是由于颜基比过高，树脂未能有效形成致密网络所致。当颜基比为1.4∶1 和2∶1 时，漆膜性能均较好，可以满足使用要求，综合考虑，选择颜基比为2∶1，即乳液含量在A 组分中质量占比为40%。

表7 颜基比对涂层性能的影响Table 7 Effect of the ratio of pigment and resin on the properties of the coating

3 结语

本研究采用不同种类的环氧乳液与固化剂制备水性环氧底漆，考察了不同环氧乳液、固化剂和助溶剂，环氧基与活泼氢的物质的量之比以及颜基比对漆膜性能的影响。试验结果表明，选用STW602K环氧乳液搭配STW703D 固化剂，环氧基与活泼氢的物质的量之比为1.25，颜基比为2∶1，助溶剂选择PM 和PNB 时，所得漆膜的综合性能最佳，表干时间10 min（膜厚20 μm），划线耐盐雾性能达到400 h 以上，能满足采用“两涂一烘”施工工艺的工程机械的防腐要求。