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高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆
2019年11月05日    阅读量:3528     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

目前,钢结构建筑在世界上已经得到普遍应用,全世界101 栋超高层建筑中,纯钢结构的有59 栋,同时国外60%以上的高档住宅都采用了钢结构[1]。我国钢产量近几年一直居世界首位,去年达1. 57 亿t。


钢材的质量、品种、规格也大为提高和丰富,为发展钢结构住宅提供了物质基础中国机械网okmao.com。目前北京、上海、山东等省市已开始进行钢结构住宅试点,其中北京金宸公寓已被列为建设部住宅钢结构体系示范工程。


在自然状态下,钢铁的腐蚀是一种自发的行为,钢铁腐蚀的巨大破坏性作用日益引起人们的关注,人们采用各种手段来延缓钢铁腐蚀的速度,以期延长钢结构的使用寿命,比如改进基材,选用防腐蚀材料、增加金属镀层、添加缓蚀剂、采用电化学保护及涂刷防腐蚀涂料等,综合考虑,采用防腐涂料对钢结构进行保护是最常用的一种方法,其具有施工维护方便,防腐蚀效果好,施工费用和成本低的优势[2 - 3]。


1 实验

目前市场上的防腐蚀涂料大部分是双组分包装,使用时按照一定的比例混合均匀后使用,施工受到一定限制,并可能会造成涂料的浪费,因此开发单组分防腐蚀涂料更具有现实意义。

1. 1 主要原料

改性环氧树脂: 单组分,自制; 超细锌粉: 800 目,工业级,江苏科创金属新材料有限公司; 消泡剂、润湿分散剂、流平剂:中山金团贸易有限公司; 有机膨润土: 深圳市银利森科技有限公司; 聚酰胺蜡防沉剂: 日本帝司巴隆化学品公司; 环保型溶剂: 自制。

1. 2 生产工艺

有机膨润土的活化: 在反应釜中加入87% 的溶剂,在转速为1 000 r /min下向其中慢慢加入10% 的有机膨润土,提高转速至3 000 r /min,搅拌10 min; 然后加入3% 的极性活化剂,维持转速继续搅拌10 ~ 15 min,即得到活化的膨润土预凝胶。单组分环氧富锌底漆: 向带冷却装置的调漆罐中加入混合溶剂和改性环氧树脂,搅拌使树脂充分溶解,在搅拌的情况下加入消泡剂,润湿分散剂,膨润土预凝胶和聚酰胺蜡防沉剂,高速分散10 ~ 15 min,然后加入锌粉继续高速搅拌20 ~30 min,再加入流平剂低速搅拌10 ~ 15 min 过滤包装即可。

1. 3 参考配方

表1 为单组分环氧富锌底漆参考配方。

单组分环氧富锌底漆参考配方

高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆 中国机械网,okmao.com

1. 4 主要性能测试方法

( 1) 常规性能测试: 参照“HG/T 3668—2009 富锌底漆”标准中相关要求测试。

( 2) 热贮存稳定性测试: 将单组分环氧富锌底漆装入玻璃广口瓶中,放入50 ℃的烘箱中贮存1 个月后,观察其分层、沉淀及沉淀状态。


2 结果与讨论

为了比较在高锌粉含量下单组分环氧富锌底漆漆膜的物理性能及耐盐雾性能的变化,分别制备了干膜中金属锌含量在96% ~ 98%之间的单组分环氧富锌底漆样品进行了对比测试,同时考察了不同防沉剂及其组合对单组分环氧富锌底漆贮存过程中锌粉的沉降性能的影响。

2. 1 基料的选择

作为防腐涂料的基料,首先要起到粘结作用,能够把防腐蚀颜填料粘结起来形成一个整体; 其次要有良好的附着力,能够和底材通过各种物理化学作用紧密地连接在一起形成牢固的整体; 最后还要能够形成完整的涂膜,阻挡水汽侵入,起到屏蔽作用。对自制的和市场上销售的单组分改性环氧树脂进行了对比测试,采用同样的基础配方制成涂料,并按照同样的方法进行制板测试,具体测试结果见表2。

基料对涂膜性能的影响

高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆 中国机械网,okmao.com

从测试结果来看,自制的改性环氧树脂表干迅速,综合性能最好。这主要是因为环氧树脂本身的特殊结构使其具有良好的附着力、耐蚀抗渗和良好的物理性能,但是其也存在易老化、漆膜较脆、不能单独成膜、耐冲击性差的缺陷。针对这些缺陷,可通过化学改性的方法对其进行了接枝改性,增加了功能性官能团,比如在环氧树脂中引入柔性的C—O—C链就可有限地改善环氧树脂漆膜发脆的缺陷。


在环氧分子结构中引入含甲氧基的官能团,可以提高涂料的耐候性、耐腐蚀性和耐水性等[4]。针对钢结构防腐的需求,通过对改性端乙烯基蓖麻油双酚A 型环氧树脂进行酯化改性,合成了气干型的改性环氧酯树脂。位于端基的乙烯基是一个活性很高的不饱和基团,可以使改性环氧树脂具有不饱和聚酯快速固化的性能; 改性蓖麻油中的甲基可以屏蔽酯键,提高了改性环氧树脂的耐水性; 改性环氧树脂中本身还有一定量的双键,可以降低树脂交联相对分子质量,提高了树脂的耐热性能和耐腐蚀性; 改性环氧树脂结构中含有的羟基和醚键,使其可与钢结构产生较强的吸收力,可在钢结构上产生良好的附着; 稳定的苯环和醚键可提高树脂的耐酸、碱、盐及有机溶剂的侵蚀。通过使用改性的环氧树脂为基料,可制备出性能优于普通环氧树脂的防腐涂料。


2. 2 锌粉含量对漆膜防腐性能的影响

锌粉是一种化学活性颜料。锌的电极电位是- 0. 762 8 V,铁的电极电位是- 0. 409 V,因此锌在钢铁表面作为牺牲阳极,对钢铁有保护作用,同时锌粉被腐蚀后的产物可填充涂膜的孔隙,封闭涂膜的损伤部位,因此锌粉是一种优良的防腐蚀颜料。在富锌涂料中,一般都是以锌粉作为唯一的颜料,研究表明,只有漆膜中的锌粉含量达到90% 以上时才能保障锌粉粒子和钢结构之间的电流传导[5],使锌粉真正起到牺牲阳极的作用,因此需用质量好的锌粉,并提高锌粉在漆膜中的含量是提高单组分环氧富锌底漆防腐效果的关键。通过大量筛选,选用国内某厂家生产的800 目的涂料专用锌粉进行了试验,并考察了锌粉添加量对单组分环氧富锌底漆防腐蚀性能的影响,结果见表3。

锌粉含量对涂膜性能的影响

高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆 中国机械网,okmao.com


从表3 可看出,随着锌含量的增加,漆膜的耐盐水和耐盐雾腐蚀都有很大改善,但是漆膜同钢板的附着力却逐渐降低。这是因为随着锌粉的增加,涂层中的聚合物基料相对减少,当达到某一临界点时,涂层中的基料不足以包覆所有的锌粉颗粒,涂层无法形成一个连续致密的膜,导致了涂层的各项性能发生突变,涂膜的附着力和屏蔽作用减弱,腐蚀介质直接渗透到锌粉表面,造成锌粉腐蚀,体积增大,造成涂层鼓泡,并且腐蚀介质很容易透过涂层到达钢结构表面造成腐蚀,导致涂层脱落。根据实际测试情况来看,当锌粉含量达98% 时,涂层本身的强度变差,测试附着力时直接造成漆膜本身破坏。因此综合考虑,锌粉的含量定在95% ~ 97%为宜。


2. 3 防沉体系对单组分环氧富锌底漆贮存性能的影响

根据斯托克斯( stokes) 法则,颜料粒子沉降的速率与粒子的半径及两相的密度差成正比,与分散体系的黏度成反比。由于单组分环氧富锌底漆中锌粉含量在96% 以上,锌粉与基料的密度相差较大,因此非常容易沉降,长期贮存过程中容易生成硬沉淀,给施工和性能带来不利影响。


为了减少沉淀,人们通常采用触变剂来防止锌粉的沉降。通过对众多触变剂的研究,选取了有机膨润土和聚酰胺蜡作为单组分环氧富锌底漆的防沉剂进行了研究。按照相同的锌粉含量配方,通过调整防沉剂的用量及比例考察了防沉剂对单组分环氧富锌底漆流平性能及贮存稳定性的影响,测试结果见表4。

表4 防沉剂对涂料流平及贮存稳定性的影响

高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆 中国机械网,okmao.com

防沉剂对涂料流平及贮存稳定性的影响

通过表4 可看出,不添加防沉剂时,涂料刚制备好即产生沉淀,由于无防沉剂的支撑作用,锌粉很快便发生沉淀,导致涂料施工过程中流平性极差,热贮存后锌粉生成硬沉淀,经过长时间搅拌也无法再次分散均匀。


添加膨润土( 制备成预凝胶使用) 作为防沉剂,有机膨润土依靠薄片边缘的氢键相互连接形成网状结构,使黏度增加来防止锌粉的沉降,但是锌粉的密度相对较大,膨润土添加量少时不能完全阻止锌粉的沉降,如增加膨润土的用量,可以大大改善锌粉的沉降,但是会造成涂料本身触变性过强,影响施工。聚酰胺蜡由于其特殊的分子结构可以通过分子间氢键在整个涂料体系里形成一个立体网状结构,这种结构将固体微粒固定、承托住,从而有效地防止了固体微粒沉降,并能为涂料提供优异的流平和抗流挂作用。


从实验结果来看,聚酰胺蜡用量较大时可以起到良好的防沉降作用,但会造成涂料成本的上升,通过其和廉价的有机膨润土进行搭配使用,可以达到优异的防沉效果,并能有效地降低产品成本。


3 单组分环氧富锌底漆性能测试

通过综合考查各项因素对涂料性能的影响,经配方优化设计,开发了具有高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆产品,其具体性能指标见表5。

单组分环氧富锌底漆的性能指标

高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆 中国机械网,okmao.com

通过与国外某品牌的单组分富锌底漆进行对比测试的结果看,我们开发的单组分环氧富锌底漆产品的性能已经达到或超过了这些产品。结果如图1、图2 所示。

耐盐雾1 000 h

高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆 中国机械网,okmao.com

从图1 可看出,经过1 000 h 的耐盐雾测试,单组分环氧富锌底漆划痕处无锈蚀,未划痕处无锈点、起泡、开裂及剥落等现象,对应测试的国外某品牌涂料划痕处无锈蚀,但未划痕处已经出现了一些锈点,并且锌粉腐蚀严重,虽然锌粉的腐蚀产物可将涂膜中的一些缺陷堵塞,对涂层的防护作用有所提高[6],但形成的锌盐( 白锈) 是水溶性的,影响后道涂层的附着力,如果不除去,还会导致以后涂层的渗压起泡[8]。


从图1 可看出,单组分环氧富锌底漆板面的锌盐相对少很多,说明锌粉腐蚀相对较轻,也进一步说明了改性环氧树脂的优越性能。图2 为耐盐水实验的照片,经过30 d 的盐水浸泡,单组分环氧富锌底漆的划痕处无锈蚀,板面无锈点、起泡等现象,表现出了良好的耐水和防腐蚀性能,相对应的国外品牌富锌底漆划痕处出现了0. 3 mm 左右的锈蚀。

耐盐水30 d

高锌粉含量的单组分环氧富锌底漆的研制,以自制的改性环氧树脂为基料,锌粉为防锈颜料,制备出干膜中锌粉含量达96% 以上的单组分环氧富锌底漆 中国机械网,okmao.com

4 结语

( 1) 单组分环氧富锌底漆通过使用自制的改性环氧树脂为基料,可使干膜中的金属锌含量达96%以上,保证了涂料良好的防腐蚀性能。

( 2) 通过有机膨润土和聚酰胺蜡搭配使用,可有效地防止锌粉沉降结块,并降低了成本。

( 3) 同国外同类型的产品相比,单组分环氧富锌底漆具有更好的性价比,应用前景广阔。


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