防腐蚀涂料的制备以及在物流材料中的应用

朱应莉

（西安交通工程学院 交通运输学院 陕西 西安 710000）

在物体表面覆盖一层涂料，能保护物体免受外界环境的侵蚀，同时还起到装饰的作用[1-4]。金属材料制备的物料运输材料、石油化工设备以及桥梁等诸多常规设备，长期接触外界环境中的腐蚀介质，使得设备局部或者大面积的发生化学作用，出现腐蚀或者破损的现象，降低了生产效率。针对金属设施的腐蚀问题，我们经常采用在表面涂防腐蚀涂层，通过设施和外界环境的隔离，达到预防腐蚀的目的。防腐蚀涂料不仅能通过提高设施的化学与电化学腐蚀能力，达到延长设施的使用寿命，还能减少设施对太阳辐射的吸收，从而提高其稳定性。目前，市场上使用的水性涂料的制备配方复杂性高，为了提高其水性涂料的整体综合性能添加了各种各样的功能助剂[5,6]，文献[7]选用丙烯酸作为基料树脂，制备的一种新型的由底漆、中间漆和面漆组成的防腐蚀涂料，具有较高的热反射率以及红外反射率。周菁等采用超细云母作为腐蚀颜料，制备了新兴的环氧防腐蚀涂料，数据显示，该涂料具有较好的硬度、柔韧性以及耐冲击性能[8]。文献[9]中，在制备的防腐蚀涂料中分别通过添加磷酸锌钙和磷酸锌铁，研究了其防腐蚀的机理，结果表明，添加的磷酸锌钙的防腐蚀涂料，有阻隔效应和电化学防锈两重保护作用；添加磷酸锌铁制备的防腐蚀涂料，在耐高温方面有很大的优势。本实验采用有良好的物理性能的水性聚氨酯乳液，作为成膜树脂，加入丙烯酸乳液作为防腐剂对材料进行改性，制备防腐蚀性的高环保性涂料材料，并采用单一变量的方法，对制备的涂料的性能进行了分析，讨论了不同物料比、不同颜填料浓度以及防锈材料浓度对所制备涂料的性能影响，为今后的研究奠定了基础。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

水性聚氨酯乳液、消泡剂、气相SiO2、BaSO4，天津迪博化工有限公司；水性丙烯酸乳液（河北东洋化工产品有限公司）；防腐防霉剂（上海永大有限公司）；润湿剂（嘉诚化工有限公司）；成膜助剂（天津华商化工集团）；耐盐雾助剂（天津永大化学有限公司）；丙二醇（天津北辰试剂厂）；Zn3（PO4）2（海城东展公司）；钛白粉、流平剂，廊坊鸿昊化工公司；防闪锈剂（东营一统化工集团）；滑石粉、增稠剂，上海阿拉丁股份有限公司；分散剂（柳州益嘉化工），所有材料均为分析纯。

JSF-400搅拌砂磨分散多用机（上海生森化工有限公司）；Vector 33红外光谱仪（德国Bruker公司）；JSM-6380扫瞄镜（日本电子公司）；CHI660-E电化学工作站（杭州华辰仪器有限科技公司）；YS-025高低温湿热试验箱（广州维德仪器有限公司）；QS300C盐雾箱（东莞中智检测设备公司）；NDJ-1转粘度计（上海安德仪器科技有限公司）；QHQ铅笔划痕硬度仪（天津科联材料工厂）；E30光泽度计（科仕佳仪器研究所）。

1.2 实验步骤

1.2.1 预混合液的制备 将成膜助剂、防冻剂以及耐盐雾疏水剂放置于搅拌机中，在转速为200～600r·min-1的条件下进行长达5～10min的搅拌，得到预混合液。

1.2.2 颜料浆的制备 将自来水、防腐防霉剂、pH调节剂、防沉剂、润湿分散剂以及消泡剂放置于搅拌机中，在转速为200～600r·min-1的条件下进行长达5～10min的搅拌；此时将搅拌机的转速提高到800～1200r·min-1的条件下，依次向搅拌均匀的混合物中加入有机无机颜料、防锈颜料、体质填料以及预混合液，随后在高速的转速条件下进行长达20～30min的分散操作，其转速控制在1800～3000r·min-1，在混合物细度达到40μm以下，得到颜料浆。

1.2.3 防腐蚀材料的制备 将制备的颜料浆、水性聚氨酯乳液、丙烯酸乳液放置于搅拌机中，此过程在转速为600～800r·min-1的搅拌下进行，随后在800～1000r·min-1的转速下进行长达10～20min的搅拌；再加入流平剂、增稠剂，搅拌均匀，并放置达30～60min进行熟化，即完成防腐蚀涂料的制备。

1.3 防腐蚀涂料的表征

1.3.1 电化学阻抗表征 本实验的电化学测试在CHI660-E的电化学工作站的含有饱和甘汞电极的三电极体的电池中进行，其辅助的电极片为10cm2的铂电极。在室温的条件下，将涂层制备成1cm2的大小，并浸泡于5%的NaCl溶液中1h，开路电位的评估样品达到平稳的状态后，即可进行电化学阻抗的测试。其测量的正弦波的振幅为5mV，105～10-2Hz的频率范围内，并用ZView2软件对记录的阻抗数据进行拟合操作。

1.3.2 涂层铅笔硬度表征 本实验依据GB/T6379-2006标准对涂层的铅笔硬度进行测试。其操作是选取一定尺寸的马口铁皮，并进行清洁以及干燥处理，将制备好的防腐蚀涂料均匀地涂到铁皮表面，并在常温条件下，进行长达7d的干燥，随后用铅笔划痕硬度计对其进行硬度的测试。本实验采用同一硬度的铅笔下，对其涂层进行3次划痕实验，观察实验结果并记录，涂层的铅笔硬度采用涂层没有出现3mm以上的划痕的最大硬度的铅笔值进行表示。

2 结果与讨论

2.1 不同物料比对涂料性能的影响

本实验选取不同比例的水性聚氨酯乳液和水性丙烯酸树脂，其比例分别设置为10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5以及0∶10这7种物料比。测试结果见表1。

表1 不同物料比对制备的涂料性能的影响Tab.1 Effect of different proportion of materials on the properties of the prepared coatings

由表1可知，随着材料水性丙烯酸树脂的不断加入，使得制备的防腐蚀涂料的光泽度不断增加，但涂料的硬度却呈下降的趋势。当水性丙烯酸树脂的含量在20%～30%情况下，制备的防腐蚀涂料的防腐蚀性能达到了最佳的状态，选用水性聚氨酯乳液和水性丙烯酸树脂的配比为8∶2，制备的材料的防腐蚀性能最佳。

2.2 颜填料浓度对涂料性能的影响

本实验选取不同浓度的颜填料进行防腐蚀涂料的制备，分别为20%、25%、30%、35%、40%，其测试结果见表2。

表2 不同颜填料浓度对制备的涂料性能的影响Tab.2 Effect of different pigment filler concentration on the properties of prepared coatings

由表2可以看出，随着加入的颜填料的比例不断增加，制备的防腐蚀涂料的光泽度呈现下降的趋势，耐水性和耐盐性随着添加比例的升高而出现先增强后减弱的趋势，当添加比例为25%的时候，制备的防腐蚀涂料的防腐蚀性能达到最佳的状态。

用不同体积浓度的颜填料涂层，分别制备成厚度一样的涂层，并将制备材料浸入到质量分数为5%的NaCl水溶液中，其浸泡时间为30d。待浸泡结束后，对其浸泡的涂层进行电化学阻抗的测试，其测试结果见图1。

图1 不同体积浓度的PVC涂层的电化学阻抗Fig.1 Electrochemical impedance curves of PVC coating with different volume concentrations

由图1可以观察到，不同体积浓度的涂层的电化学阻抗图谱曲线呈现两个时间常数、两个容抗弧，分别在高频段和低频段出现，高频段对应的时间常数反应了涂层的基本性质，低频段对应的时间常数反应了附着于涂层下的金属腐蚀情况。通过曲线走势可以得知，高频段内，PVC值不断升高，其涂层的容抗弧直径呈现先增加后减小的趋势，其值为25%时，容抗弧的直径值达到最大，说明此时的涂层呈现最致密状态，电解质溶液到达保护金属层的时间也最长，说明此状态下的涂层防腐蚀性能最优。

2.3 防锈材料含量对涂料性能的影响

本实验选取不同质量分数的防锈材料，进行防腐蚀涂料的制备，其质量分数分别为10%、17%、25%、35%、45%，其测试结果见表3。

表3 不同防锈材料质量分数对涂料性能的影响Tab.3 Influence of different anti-rust material mass fraction on coating performance

由表3可知，随着防锈材料质量分数的不断增加，制备的防腐蚀材料的耐盐雾性呈现先增加后降低的趋势。一般来说，防锈材料的加入量不断增加，会使得制备的防腐蚀材料的性能提高，本实验由于采用的是Zn3（PO4）2，其材料的颗粒较大、形状呈砖型、分散性比较差，添加质量分数较大时，会影响制备材料的致密性，导致其防腐蚀性能的降低[10]。因此，本实验测得的是选用含量17% Zn3（PO4）2配制的材料，其性能达到最佳状态。

3 结论

本实验采用具有良好的物理性能的水性聚氨酯乳液作为成膜树脂，加入丙烯酸乳液作为防腐剂对材料进行改性，制备具有防腐蚀性能的高环保涂料材料，采用单一变量的方法，对制备的涂料性能进行了分析，结果表明，选用水性聚氨酯乳液和水性丙烯酸树脂的配比为8∶2、颜填料浓度为25%，以及防锈材料——Zn3（PO4）2浓度为17%时，制备的防腐蚀涂料的性能最佳，延长物流运输材料的使用寿命，更好地保护了运输物资，为今后的研究奠定了基础。