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工程起重機用水性自干防腐底漆的制備,介紹了一種應用于工程起重機的水性自干防腐底漆,重點闡述了該涂料的制備方法、施工工藝以及探討了分散劑、防銹顏料、顏基比、固化劑用量對涂膜性能的影響
2019年10月31日    閱讀量:3794    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

0 前言

目前,國內工程起重機裝備用防腐蝕底漆一般采用溶劑型醇酸底漆、環氧酯底漆、聚氨酯底漆、雙組分環氧鐵紅底漆以及環氧富鋅底漆等,噴涂環境惡劣,空氣中VOC含量高。由于工程起重機占地面積廣,無法獨設噴涂車間以及烘干室,因此,國內生產企業通常把燒焊與噴涂共處一室,存在嚴重的易燃易爆危險及健康危害。


國內生產機械裝備用水性高性能涂層材料的企業主要為BASF、NIPPON、PPG等國際知名企業,其產量約占國內工業用水性高性能涂層材料總產量的90%,全部用于乘用車涂裝,由于施工工藝的不同而無法套用到工程起重機涂裝涂料在線coatingol.com


當前國內滿足工程機械裝備水性技術主要集中在機械底盤等要求較低的應用領域和底漆電泳等底涂層制造,而高性能要求的水性防腐涂層技術尚未得到應用。


本文以工程起重機設備產業為目標市場,以高耐腐蝕性及高性價比為目標,研究綠色高性能涂層共性技術。目前該產品性能已通過第三方檢測公司的檢測,并得到客戶試用認可,將為工程起重機涂裝水性化奠定良好的產業化基礎。

 

1 試驗部分

1.1 原料與設備

原材料:水性環氧乳液、水性雙酚A環氧分散體、水性環氧分散體、水性酚醛環氧分散體、水性丙烯酸共聚物、功能助劑、成膜助劑、防沉劑、防銹顏料、顏填料及去離子水組成。

設備:籃式砂磨機、高速分散劑、噴槍、烘箱等。

1.2 水性防腐底漆制備工藝

(1)水性色漿制備:將全部的去離子水加入攪拌槽中,邊攪拌邊加入有機膨潤土,然后加入1/3消泡劑,高速分散15 min,使有機膨潤土活化。隨后在攪拌條件下加入分散劑、潤濕劑,最后加入防銹顏料、顏料與填料,攪拌均勻后加入余下消泡劑,高速分散,然后轉移至砂磨機研磨至細度小于15 μm。

(2)水性涂料制備:在攪拌槽中加入水性樹脂,然后在攪拌的條件下加入步驟(1)中的水性色漿,最后按照順序加入成膜助劑、潤濕流平劑、防閃蝕劑、防霉劑、觸變劑,攪拌均勻,調整pH值為7.0~8.0,靜置20~30 min后,用250~350目篩網過濾包裝。

1.3 水性防腐底漆配方(見表1)

產品配方一覽表

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1.4 水性防腐底漆施工工藝

施工工藝1:素材表面經拋丸處理后容易氧化生銹,需在12 h內噴涂水性底漆,施工工藝流程見圖1。

水性涂料施工工藝1流程圖

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施工工藝2:素材經防銹、除油、磷化三合一表面處理劑進行處理,可室溫放置1周以上再噴涂水性底漆,素材具有短暫防銹性,施工工藝流程見圖2。

水性涂料施工工藝2流程圖

1.5 水性防腐底漆與溶劑型涂料性能對比

工程起重機用水性防腐底漆涂膜主要性能如表2所示。

涂膜性能測試一覽表

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2 結果與討論

2.1 主體樹脂的選擇對涂層性能的影響

目前,國內工程起重機裝備用防腐底漆按照耐腐蝕要求的不同,由輕度到重度防腐一般采用溶劑型醇酸體系、環氧酯體系、環氧體系、聚氨酯體系以及環氧富鋅體系。相對應的水性醇酸與環氧酯體系,涂膜通過氧化干燥成膜,與溶劑型產品相比,涂膜干燥速度較慢、耐腐蝕性能一般、產品施工間隔周期長,不利于大型機械表面涂裝,嚴重影響生產效率,并且水性醇酸易水解,貯存不穩定。


水性聚氨酯樹脂價格相對較高,與溶劑型產品相比,由于親水性基團的引入,其耐腐蝕性、耐水性均有所下降。水性環氧富鋅體系,由于鋅粉活性高,貯存穩定性較差,易沉淀和脹氣,目前還未得到大規模推廣應用。


水性環氧樹脂干燥較快、涂層耐腐蝕性強、涂層施工間隔短、產品性價比相對較高。綜上所述,本實驗采用水性雙組分環氧為主體樹脂,配合不同的防銹顏料及填料,制備出不同性價比的水性防腐底漆。


2.2 分散劑對活性顏料穩定性及涂層性能的影響

水性防腐底漆在配方設計過程中,需要添加適量的活性防銹顏料,此類顏料對分散劑要求較高,貯存過程中易膠化、絮凝,從而導致水性乳液破乳或防腐能力下降。本試驗以活性磷酸鋅、三聚磷酸鋁為防銹顏料,以云母氧化鐵紅為體質顏料,以硫酸鋇、滑石粉等為填料,通過探討幾種不同類型的水性分散劑來驗證其對活性顏料的包覆穩定性及其對涂層耐化性的影響。


高分子類型、非離子型、聚丙烯酸型分散劑一般采用錨固基團取代表面活性劑的親水基團,以保證分散劑在固體顆粒表面上具有更牢固的吸附。


同時,分散劑中含有游離的離子較少,在素材表面形成電化學反應趨勢較低,從而金屬表面閃銹現象較輕,此類分散劑比較適合分散有機顏料。由表2可知,相對無機顏料及活性防銹顏料而言,聚羧酸鈉鹽類分散劑Orotan 731A與磷酸酯類分散劑Lutensit? A-EP的顏料分添加量少、分散性高、貯存穩定性、耐化性能最好。


但是,聚羧酸鈉鹽類分散劑Orotan 731A由于為陰離子型表面活性劑,其電離出來的離子較多,易在金屬表面形成電化學勢,從而導致涂層在金屬表面自干過程中易出現閃銹的問題。綜上所述,從性價比的角度,選擇Lutensit? A-EP作為分散劑,添加量為顏料的5%。

分散劑的選擇對活性顏料穩定性及涂層性能的影響

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2.3 防銹顏料對涂層防腐蝕性能的影響

目前,常見的防銹顏料主要有磷酸鋅、三聚磷酸鋁、磷硅酸鋅鋁、改性磷酸鋅、鋅鉻黃、紅丹、鈣離子交換顏料、氧化鋅等。鋅鉻黃和紅丹防銹能力優異,但由于重金屬含量過高而不能使用,因此,本試驗選擇磷酸鋅、改性磷酸鋅、三聚磷酸鋁以及鈣離子交換顏料為主要防銹顏料,通過耐中性鹽霧試驗進行性能對比,產品性能如圖3所示。

不同牌號磷酸鋅對涂層耐腐蝕性的影響

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由圖3可見,進口純磷酸鋅與國產普通磷酸鋅耐腐蝕性能一般;而經過鍶或鉬改性的磷酸鋅SZP-391與SW-111對金屬底漆具有較好的封閉性與鈍化作用,耐腐蝕能力明顯提升,但是產品價格相對較高,并不能普及應用于工程機械行業;鈣離子交換顏料AC-5對樹脂體系選擇性較高,一般適用于丙烯酸樹脂體系,與環氧樹脂體系協同效果一般;


通過試驗發現,當使用普通磷酸鋅與三聚磷酸鋁復配使用時,產品綜合性能良好,三聚磷酸鋁能明顯改善涂膜后期耐腐蝕性能,對劃線處涂膜具有較好的防護性,有效阻隔水分及氧氣從此處向面板擴散,而且產品價格相對較低,滿足工程機械行業市場推廣的需求。因此,本試驗選擇普通磷酸鋅與三聚磷酸鋁組合使用,復配比為2∶1(質量分數),添加量為配方總量的10%~15%。


2.4 不同顏基比對涂層耐腐蝕性的影響

本試驗選擇以普通磷酸鋅與三聚磷酸鋁為主要防銹顏料,以云母氧化鐵紅為體質顏料,以硫酸鋇、滑石粉為填充料,探討最佳顏料添加量,從而保證樹脂能夠完全包裹住顏料粒子,同時能夠在金屬底材上達到良好的封閉作用,本試驗探討了圖4中幾個不同顏基比對產品耐腐蝕性能的影響。

不同顏基比對涂層耐腐蝕性的影響

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由圖4可見,當顏料總質量比樹脂固體量為2.0∶1時,涂層耐腐蝕性能達到最佳水平,樹脂能夠把顏料粒子完全包裹住。同時,足夠多的顏料粒子能夠在金屬底材上緊密相連,形成一片致密的封團層,從而阻隔了水分子及氧氣的進入,達到良好的耐腐蝕性。過多的顏料粒子,由于樹脂包裹不能有效,其在涂層表面呈豎狀分布,在金屬底材間形成通道;而過少的顏料粒子,雖然樹脂足夠包裹,但是粒子過少,不能完全把底材封閉、鈍化,只能依靠樹脂自身防腐,因此耐腐蝕性能相對較差。


2.5 不同固化劑用量對涂層耐腐蝕性的影響

本試驗采用水性多元胺為固化劑,利用水性多元胺固化劑中的堿性伯胺和仲胺與環氧基發生開環反應,環氧開環形成羥基基團在反應最后可進一步參與交聯反應,從而形成更致密的膜。為了進一步確定最佳固化劑添加量,本試驗通過固化劑轉化率測試[6]、耐中性鹽霧以及耐水性測試來評估最優配比,見圖5、表4。

不同環氧當量下固化劑轉化率

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環氧當量比對涂層性能的影響

為確定固化劑用量對涂層綜合性能的影響,試驗測試了幾個不同環氧當量比對固化劑反應轉化率、涂層耐化性能的影響。由圖5和表4可見,當環氧當量比為80%時,涂層綜合性能較佳,涂膜耐腐蝕性、耐水性好,未反應固化劑少。


這是因為在水性體系中,水分散體的環氧組分和胺類固化劑的活潑氫原子之間的交聯反應,不可能達到它們在溶劑型或無溶劑型體系中相同的反應程度。在這樣的特定情況下,在涂膜中仍然保留了一定數量的未反應親水性胺類固化劑,這樣就導致了涂膜極性增加。這些極性的部位可以與鐵離子和水反應,從而導致耐鹽霧性和耐水性下降。綜上所述,本試驗選擇固化劑用量占理論計算值的80%為宜。


2.6 最優配方下涂層耐鹽霧與耐水性試驗圖(見圖6)

耐中性鹽霧與耐水性試驗結果照片

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由圖6可見,本試驗制備的涂層,干膜膜厚50μm,耐中性鹽霧與耐水600 h測試后,劃叉處單邊起泡生銹小于2 mm,面板空白處無起泡生銹等現象。可見,本試驗制備的水性防腐底漆具有出色的防腐能力。

 

3 結語

本試驗采用水性雙組分環氧為主體樹脂,結合無毒環保的防銹顏填料,制備一種可應用于工程起重機的水性防腐涂料。該產品可室溫固化,適用于現有溶劑型涂裝線的施工,節能環保,滿足企業安全生產的需求;涂膜具有良好的理化性能、耐腐蝕性能、耐水性能以及具有良好的施工適應性,產品綜合性能達到同類型溶劑型產品水平,解決了現有水性產品室溫固化耐腐蝕性、耐水性差、干燥慢、施工間隔長的行業難題。該產品的開發有利于促進工程起重機裝備涂層行業的綠色環保發展。


工程起重機用水性自干防腐底漆的制備

□ 謝 唯,許奕祥,張紅,姚煌,禹漢文,李娜

(廣州擎天實業有限公司,廣州 510860)


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