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新型水性环氧体系在防腐涂料中的应用前景

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-->>新型水性环氧体系在防腐涂料中的应用前景

0 引言
金属腐蚀每年给世界经济带来很大的浪费。在人类几千年的文明历程中,为了防止金属腐蚀,人们采取了多种方法,其中涂覆涂料是最方便,最经济也是使用最广泛的方法。近年来,随着各项环保法规的颁布以及人们环保意识的增强,相继开发了多种低VOC 的涂料,包括水性体系、无溶剂体系等。其中水性涂料作为环保型涂料中的一个重要研究领域,最早广泛用于建筑领域。随着人们对自身健康要求的提高,在防腐蚀领域,水性涂料的应用也日益增多。从欧洲涂料市场来看,重防腐涂料中水性涂料的使用比例正在不断增加,水性涂料的平均增长率正在超过传统的溶剂型涂料,越来越多的成功应用案例也证明,即使在恶劣条件下,水性涂料也可为钢材提供良好的防腐蚀性能。另外,水性涂料的干燥/ 覆涂时间短,无稀释剂成本,停工时间短(使用较少的涂层和产生较少溶剂气味问题),所以其真正的优点是涂料的高性能和高效施工带来的低成本。
作为防腐涂料中常用的基料体系,环氧/ 胺组合物的水性化是人们关注的重点。它的发展可追溯到20 世纪70 年代,Anchor 公司发布了第1 代可行的水性环氧涂料。它基于液体双酚A/F 环氧树脂,采用改性的脂肪族聚酰胺- 胺(Casamid 360)固化。十多年后,市场上才出现固体环氧树脂分散体(Epi-Rez3520),1998 年,市场上出现了采用聚胺加成物的环氧树脂分散体。我国水性环氧涂料的研究起步较晚,也相对较为落后,直到1996 年,上海市涂料研究所才推出了水性环氧涂料产品,但其性能与传统溶剂型环氧涂料相比相差甚远,这也制约了它的市场应用。为此,我们详细分析了其中的原因,并研制成新一代的水性环氧涂料产品。
 
1 实验部分
1.1 原材料
STW602 新一代水性环氧分散液,STW703 新一代水性环氧固化剂,水性防锈颜料,钛白粉,氧化铁黑,填料,润湿剂,分散剂,活性稀释剂,助溶剂,去离子水等。
1.2 水性环氧防腐涂料配方
水性环氧防腐涂料的配方如下:
原料 质量分数/%
A 组分  
STW602 47.7
去离子水 12.1
分散剂 1.6
填料 22.7
水性防锈颜料 6.0
钛白粉 6.3
氧化铁黑 0.6
活性稀释剂 0.8
助溶剂 2.0
润湿剂 0.2
合计 100.0
研磨至细度≤ 30 μm。
B 组分  
STW703 7.5
去离子水 12.5
合计 20.0
1.3 性能比较
将新一代水性环氧体系,与旧水性环氧体系和传统的溶剂型环氧体系进行性能对比,具体结果见表1。
不同环氧体系的性能比较
2 结果与讨论
从表1 中可见:新一代水性环氧体系与溶剂型环氧体系的性能相近,完全可以取代溶剂型环氧体系应用在钢铁防腐中。旧水性环氧体系之所以性能较差,主要是由于成膜不完整造成的,而水性环氧体系的成膜过程主要受以下2 方面因素影响。
2.1 分散相粒径对水性环氧涂料成膜过程的影响
乳胶粒子的大小对水性环氧涂料固化成膜过程的影响如图1 所示。
环氧树脂乳胶粒子的大小对成膜过程的影响
由图1 可见:固化剂与环氧树脂的固化反应首先从乳胶粒子的界面处开始,完全反应则需要透过界面膜进入到乳胶粒子内部。乳胶粒径较小时,乳胶粒子具有较大的比表面积,按比例配合的固化剂在乳胶粒子表面的分布浓度较低,固化反应速率相对较慢,固化剂有充分的时间与空间扩散进入乳胶粒子内部与环氧树脂进行固化反应,能够形成均一的、固化完全的硬膜。相反,乳胶粒径较大时,乳胶粒子的比表面积相对较小,固化剂在乳胶粒子表面的浓度相对较高,乳胶粒子表面快速固化。随着固化的进行,界面壳层变硬,从而阻止了固化剂进一步向乳胶粒子内部扩散,导致乳胶粒子内部固化不完全,所得涂膜的物理化学性能下降,主要表现在涂膜的光泽度、硬度降低,涂层的渗透性增高,耐水性、耐化学品性下降,干燥时间延长。因此,乳胶粒径越小,分布范围越窄,固化进行得越完全,形成的涂膜越致密均一,涂膜的物理化学性能越好。乳胶粒子的大小及其分布不仅是影响乳液稳定性的重要因素,也是影响涂膜最终性能的最主要因素。
2.2 固化剂对水性环氧涂料固化成膜的影响
水性环氧涂料的固化成膜反应由固化剂的扩散过程控制,分散相的界面黏度和玻璃化温度会影响固化剂的扩散速率,有可能成为固化剂向乳胶粒子内部扩散的壁垒。黏度越大,玻璃化温度越高,越不利于固化剂分子的扩散。随着乳胶粒子表面固化反应进行和壳层的硬化,乳胶粒子内部的固化反应最终可能进行得不完全,导致涂膜性能的下降。另外,固化剂与水性环氧树脂的相容性也直接影响着固化剂分子的扩散,相容性越好,扩散越好,涂层性能也越好。
2.3 乳化剂结构对成膜性的影响
在旧的水性环氧体系中,由于乳化剂为普通的非离子表面活性剂,它的亲油端是8 个碳的壬基酚。该乳化剂与环氧树脂的相容性不佳,易游离,所以乳化效果不佳,D50 在3 μm 左右,而新的水性环氧体系采用了一种新型非离子表面活性剂,它的结构如图2所示。
新水性环氧体系用乳化剂分子结构
从图2 可见:新型乳化剂中,亲油端是2 个双酚A 环氧结构,在乳化环氧树脂的过程中,亲油的这部分结构可以深入到环氧树脂体系中,并牢牢地与其锚定,再通过乳化剂中的亲水链段将不亲水的环氧树脂部分拉入水相当中,形成稳定的乳液。用这种新的乳化剂乳化的环氧乳液,D50 在0.3 μm 左右,它的粒径分布相当于旧体系的1/10。因此新的环氧体系具有更佳的成膜性。以新体系为基础的漆膜呈现出了良好的性能,基本与传统的溶剂型体系接近。
 
3 结语
本文着重分析了旧的水性环氧体系性能较差的原因,并通过新的乳化剂改善了粒径分布,使得新一代的水性环氧体系无论在性能,还是在使用性方面,都有很大程度的提高。在早期,水性环氧防腐涂料的应用不是很成功,因为当时产品的性能欠佳,人们也没有掌握正确使用水性涂料的方法。现在,新一代的水性环氧体系已经在技术方面取得了很大的进步,与溶剂型环氧涂料的性能相差无几。在环保要求越来越高的今天,相信,水性环氧防腐涂料一定会得到市场的认可。
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