煤矿机械专用水性涂料的研制

谷锐，李运德

（天津灯塔涂料工业发展有限公司，天津 300400）

中国是煤炭生产大国，2021年中国煤炭企业50强实现原煤产量28亿t，占全国煤炭产量的71.8%，增产7 874.59万t[1]。开采煤炭需要大量的煤矿机械设备，同时我国的煤矿机械设备还大量出口国外，因此煤矿机械设备在我国国民经济中有着举足轻重的作用。煤矿机械的应用环境复杂且恶劣，其服役后短期涂料防腐失效的案例比比皆是，所以要设计有针对性的防腐体系。涂料的防腐性能和工艺性能除了要达到要求之外，为迎合我国绿色生态发展理念，煤矿机械行业也正朝着环境友好型、低碳环保型涂装技术方向发展，水性涂料是重要的解决方案之一。为此，本文设计了一种适用于煤矿机械的水性防腐涂料。

1 实验

1.1 原材料

水性环氧酯树脂、水性丙烯酸树脂、钛白粉(金红石型)：市售；水性催干剂4940N：湛新树脂(中国)有限公司；消泡剂BYK028、膨润土RD：毕克化学技术咨询(上海)有限公司；分散剂PF-235：埃夫科纳(南充)特种聚合物有限公司；润湿剂TEGO4100：南京迪高化工有限公司；气相二氧化硅R-972：德国赢创工业集团；增稠剂RM-8W以及成膜助剂BCS、DPNB：美国陶氏化学公司；防锈料106、防锈料302：纽碧莱颜料国际贸易(上海)有限公司；防锈料磷锶酸锌：上海君江材料科技有限公司；炭黑MA-100：日本三菱化学公司；硫酸钡、二甲基乙醇胺：市售工业级；防闪锈剂ZT-708，北京之途化工有限公司。

1.2 涂料的配制

涂料的技术要求见表1。

表1 涂料技术要求Table 1 Technical requirements of the coating system

按照表2给出的实验配方称取原料，其中底漆配方中1-15号原材料分散均匀后研磨至细度≤30 μm，使用16号原材料调整黏度。面漆配方中1-6号原材料分散均匀后研磨至细度≤25 μm，逐步加7-11号原材料，然后使用12号原材料调整黏度。

表2 实验配方Table 2 Experimental formulations

1.3 实验方案

底漆配方设计方案见表3，拟考察防锈料和防沉触变剂对底漆耐盐雾性能、抗流挂性、干燥时间和稳定性的影响。面漆配方设计2套方案，拟考察面漆中是否加入防锈料302对复合涂层性能的影响，方案A不含防锈料302，方案B含质量分数2.5%的防锈料302。

表3 底漆设计方案Table 3 Scheme for testing the formulation of primer

2 结果与讨论

2.1 不同底漆设计方案的性能测试

根据表3的底漆设计方案得出的实验结果见表4。从中发现以下影响漆膜耐盐雾性能的重要因素：

表4 底漆实验结果Table 4 Test results of primer

(1) 漆膜的厚度。底漆膜厚为40 ～ 45 μm时的耐盐雾性显著优于35 ～ 40 μm时的耐盐雾性。这是因为一般水性单组分环氧酯漆干膜厚度不低于40 μm时，在盐雾氛围下才能保持较高的电阻率和漆膜刚性，提供更好的屏蔽性，阻止漆膜被盐雾锈蚀[2]。

(2) 防锈料的种类及添加量。除树脂体系本身，防锈料的种类和添加量对底漆的耐盐雾性也有显著影响。防锈料通过与金属基材形成具有粘附性的化合物覆盖膜，使金属表面钝化，从而阻止涂膜划痕处起泡腐蚀。防锈料在涂料中添加到一定的程度就可以达到较好的防锈效果。当然，不同品种的防锈料添加量需在涂料中进行多次试验来获得经验值。

从表4中还可以看出影响涂料稳定性和工艺性能的因素：配方中R-972的加入一是提高了抗流挂性和体系稳定性，二是加快了产品的表干速率。这是因为，R-972气相二氧化硅表面带有大量的羟基，这些羟基会在气相二氧化硅的聚集体之间形成氢键，当其充分分散于涂料中时，便形成二氧化硅的网状结构，从而有效阻止涂料在形成漆膜过程中的迁移，防止涂料在成膜干燥过程中出现流挂，同时气相二氧化硅分散于漆液中时形成的网络结构使体系中的颗粒不易聚结和发生相分离，从而令涂料稳定[3]。另外，气相二氧化硅R-972的加入之所以能提高漆膜的表干速率，是因为它比表面积大，吸油量较高，使体系的颜料体积浓度较高，并且其优秀的悬浮作用避免了重质颜填料在漆膜形成过程中沉降而导致表面树脂富集，从而避免减缓表干速率现象的发生。还有可能的原因是气相二氧化硅和催干剂产生了某种协同作用。

2.2 复合涂层的实验结果

选取底漆方案3和方案4与2种面漆配套进行喷涂，流平10 ～ 15 min后60 °C烘烤20 min，然后喷涂面漆。按检测方法进行养护后测试4种配套涂层的性能。

从表5和图1可以看出，面漆含有防锈料的涂层在耐盐雾性上会比面漆不含防锈料的涂层表现得好一些。首先面漆为整个防腐蚀涂层提供了抗化学的作用及屏蔽性，提升了涂层整体的有效性，使涂层具有低渗透性，能抵御潮气和电解质的侵蚀。如果底漆在喷涂施工过程中湿膜过厚，漆膜在强制干燥过程中从表层到内层干燥梯度加快，漆膜中的水分、助溶剂在较短时间内大量挥发，在穿过漆膜的瞬间不足以让它们全通过，就可能会有一部分气体突破漆膜表层进入外界。如果此时漆膜表面在强制干燥下表干很快，漆膜的表面张力减弱，不足以消除突破漆膜界面的气泡，就极有可能会在涂层中产生暗孔[4]，而含有防锈颜料的面漆填充了涂层空隙，加强了防锈的能力，不易产生锈点。但是从表5可以看出，面漆中加入防锈料后漆膜的光泽较低。这是因为涂料中防锈料吸油量较高，当颜基比一定时，颜料的吸油量越大，被颜料颗粒吸附后和填满颜料颗粒间空隙后剩余的成膜物质就越少。在面漆中尽量使用包膜处理或有机表面处理后活性较低的防锈料，这样的防锈料不容易破坏水性丙烯酸乳液中的乳化剂，能使涂料体系稳定。但考虑到成本及对比综合性能，涂层1的方案设计(即面漆不加防锈料)已经达到了煤矿机械涂层的设计要求，能够满足客户的需求。

表5 复合涂层实验结果Table 5 Test results of different coating systems

图1 复合涂层1(a)、2(b)、3(c)、4(d)盐雾试验后的表面状态Figure 1 Surfaces of composite coating No.1 (a), No.2 (b), No.3 (c), and No.4 (d) after salt spray test

3 结论

随着我国环保政策趋严，煤矿机械涂装水性化是大势所趋。本文研制的煤矿机械专用水性涂料具有良好的防腐性能和施工工艺性能，很好地满足了煤矿机械涂装环保升级的需要。本文试验得出的防锈料、漆膜厚度、涂层配套、面漆加入防锈料等对耐盐雾性能影响的结论对煤矿机械水性涂料设计及涂装具有借鉴意义。