助剂在水性防锈底漆中的应用

王亚际,刘冲,高昊,焦健

(衡水新光新材料科技有限公司,河北省水性粘合剂基础材料工程技术研究中心,河北衡水053011)

摘要:在水性工业漆体系中,助剂可有效改善体系的稳定性和施工性能,并对产品的防护效果有很大的影响。本文研究了不同p H值调节剂、分散剂润湿剂防闪锈剂对涂膜防护效果的影响,确定了最佳的助剂品种。

关键词:水性工业漆 pH值调节剂 水性防锈底漆 改性磷酸锌 耐盐雾 

0 引言

随着环境日益恶劣, 对环境治理的力度日益加大。2015 年1 月26 日, 国家财政部和税务总局签发《关于对电池、涂料征收消费税的通知》,适用税率为4%,对施工状态下挥发性有机物(VOC)含量低于420g/L(含)的涂料免征消费税。同时《中华人民共和国大气污染防治法(2015 修订)》也在2016 年开始实施,在防锈蚀领域中被大量应用的溶剂型涂料将受到极大的限制。

在环境保护措施日益严格的条件下, 涂料企业也面临着新的机遇,即涂料的水性化。本文讨论了以环境友好型的防锈颜料磷酸锌制备的水性防锈底漆中,主要助剂对其性能的影响。 

1 实验过程

1.1 水性防锈底漆的制备

1.1.1 配方组成。

防锈底漆配方见表1。

1.png

1.1.2 制备工艺

去离子水、分散剂、润湿剂、消泡剂、丙二醇、AMP-95 混合均匀,在搅拌下依次加入氧化铁红、改性磷酸锌、硅灰石粉,高速混合20 min,研磨至细度≤30 μm,加入乳液,缓慢加入二丙二醇丁醚、润湿剂、防闪锈剂、增稠剂,混合均匀,补足余水。过滤,检测合格即为成品。

1.2 性能检测

依据HG/T 4758—2014《水性丙烯酸树脂涂料》Ⅱ型底漆指标要求进行常规检测, 并依据GB/T1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测试》进行盐雾性能测试,检测结果见表2。

2.png

2 结果与讨论

2.1 防锈机理

在防锈涂料中,树脂一旦选定,防锈颜料在很大程度上影响着防护效果。防锈颜料一般分为化学防锈颜料和物理防锈颜料两类,化学防锈颜料可以在所涂布的金属表面上形成钝化膜, 或形成金属皂来阻止腐蚀,如红丹、锌铬黄、磷酸锌等。物理防锈颜料借助其细密的颗粒填充漆膜结构, 提高了漆膜的致密性,起到了屏蔽作用,降低了漆膜渗透性,从而起到了防锈作用。如氧化铁红、云母、玻璃鳞片等。鉴于含铅、铬防锈颜料对环境产生严重污染并危害人类的健康, 并且考虑到水的高介电常数,我们选择了改性磷酸锌和氧化铁红复配做为防锈颜料。 

磷酸锌化学式为Zn3(PO4)2·4H2O,为无色斜方结晶或白色微晶粉末,密度3.99 g/m3,溶于无机酸、氨水、铵盐溶液,水中几乎不溶。其防锈机理:在锈蚀初期,在损伤处产生局部阳极和阴极,来自水解作用的酸与接近腐蚀区涂层的磷酸粒子反应生成磷酸和锌离子,Zn2+与金属表面Fe2+形成难溶性络合物, 作阴极抑制剂用, 形成阴极保护。而磷酸则与金属表面作用生成起保护作用的不溶性磷酸铁以达到防锈目的。同时,磷酸锌与乳液中的羧基和羟基发生反应,生成络合物, 这种络合物与腐蚀物一起形成紧密的保护膜,从而保护金属基底不被腐蚀。

2.2 PH 值调节剂的选择

在水性涂料中,适宜的pH 值对颜料的分散、乳液的稳定非常重要,一般pH 值调节值至8~9,所用助剂一般为氨水和有机胺。但是本体系中选择的防锈颜料磷酸锌会受到氨水或铵盐的影响, 溶解度产生变化,并导致体系的pH 值下降。对比了试剂级磷酸锌和市场采购的磷酸锌分别在氨水和AMP-95 中PH 值的变化,如表3 所示。

3.png

通过7 d 的常温测试并在50 ℃下热贮存7 d 的测试,我们可以看到改性磷酸锌在调节pH 后,随着贮存时间的延长,pH 值会有较大下降, 考虑到AMP-95的气味小, 挥发性低的优势, 更加有利体系pH 值稳定,同时具有助分散和抗闪锈功能,选择AMP-95 作为体系的pH 值调节剂。 

2.3 分散剂的选择

磷酸锌做为化学防锈颜料的不足之处是其溶解度低、水解速度慢,在应用时需改性处理,颗粒微细化是提高磷酸锌系颜料活性的最基本手段。同样在体系中改性磷酸锌的分散细度和分散稳定性,也是决定涂膜防护性能的重要因素。我们通过对铵盐分散剂、均聚钠盐分散剂、疏水共聚钠盐分散剂以及非离子分散剂进行了对比,实验结果如表4 所示。

4.png

注: A—铵盐分散剂; B—钠盐均聚物分散剂; C—疏水钠盐共聚物分散剂;D—非离子分散剂。

从表4 可以看出,较为疏水的分散剂可有效降低研磨细度,但是由于受体系中电解出的阳离子影响较大,贮存稳定性差,亦影响耐盐雾性能。而亲水的分散剂贮存稳定, 但是研磨细度高且耐水耐盐雾均不理想。使用稳定性较好的非离子分散剂与铵盐分散剂复配,可以达到很好的涂膜效果,如图1(400 倍放大)。

5.png

2.4 润湿剂的选择

在高表面张力的水性体系中,为确保涂料的稳定性和良好的施工性能,润湿剂的使用是必须的。润湿剂可有效改善液/气、液/固的表面能,并影响分散剂在粉体的吸附。常见基材的表面能和液体表面张力如表5 所示。

从表5 可以看到, 水是不能完全润湿钢铁基材的, 只有通过基材润湿剂才能够很好地在基材铺展,形成完美的涂膜。我们在配方中选择了非离子润湿剂TO-8 与大分子的基材润湿剂TEGO 245 配合使用,并通过加入顺序,发挥出各自最大的效果。 

2.5 防闪锈剂的选择

由于水性涂料本身是导体,对存在电位差的不同区域间形成电荷迁移通道,这样腐蚀就在水性涂料成膜过程的短时间内发生,形成了闪锈。很明显,湿漆膜保持的时间越长,闪锈现象就越严重,这样就可以解释低温高湿情况下闪锈现象更为严重的原因。

选择防闪锈剂的方法: 使用150 mm×70 mm 的喷砂钢板,使用150 μm 线棒涂布一道,干膜厚度(50±5)μm。水平放置24 h 后观察漆膜表面有无透锈,之后立即将试板浸泡在二甲与丁醇3∶1 的溶液中除去漆膜,观察底材上有无锈点。若漆膜表面无透锈,底材上也无锈点,则表明闪锈抑制合格。

本水性防锈底漆选择Raybo60 作为抗闪锈剂,抑制闪锈效果明显,对涂料的其他性能无不良影响。 

3 结语

本文主要介绍了PH 调节剂、分散剂、润湿剂和抗闪锈剂在水性防锈底漆中对涂料性能的影响。结论如下:

(1)使用AMP-95 作为体系的PH 值调节剂,气味小,稳定性好,同时具有助分散和抗闪锈功能;

(2)使用稳定性较好的非离子分散剂与铵盐分散剂复配,可以达到最好的研磨细度和贮存稳定性;

(3)使用TO-8 和TEGO 245 配合使用,并且按指定的加入顺序制备的水性防锈底漆具有良好的施工性能;

(4)选择Raybo60 防闪锈剂,所制备的水性漆具有优秀的闪锈抑制效果。


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