高性能水性双组分环氧底漆的研制
2021-07-06 09:44 浏览:232
高性能水性双组分环氧底漆的研制
张理1,2,王雅兰2,欧阳晓东2,高艳芳2
(1.东华大学,上海201620;2.贝科工业涂料(上海)有限公司,上海201600)
0 引言
众所周知,轨道交通工具长期暴露在户外环境中,车体金属材料容易被腐蚀,造成材料浪费、能源损失,甚至引发危及生命的安全事故。具有防腐蚀作用的涂料应用于金属基材表面可有效防止和减少这类损失,高性能防腐蚀涂料的开发一直是涂料行业的重要研究方向之一。在各类防护方法中,防腐蚀涂料施工简便,具有经济性、适应性,且重涂及修复费用相对较低,使用时基本不受设备形状、面积约束,还可以与其他防腐蚀措施一起使用,从而获得更为完善、有效的防腐蚀体系。
环氧树脂涂料可与固化剂反应形成网状结构,表现出优异的硬度、强度及耐腐蚀、耐热、耐溶剂性能,且其收缩率低于很多不饱和聚酯的,因此在防腐涂料中应用广泛。
20 世纪50 年代,环氧树脂开始商业化生产,截至2014 年,全球环氧树脂市场销售额已达71 亿美元,预计到2020 年将达到105 亿美元,其中有40%以上用于涂料行业,且大部分应用于防腐蚀领域。近年来,环境保护需求不断提升,也促使水性环氧涂料得到快速发展。
本文采用商业化的原材料进行水性防腐蚀底漆配方设计,并结合不同配方的漆膜耐盐雾性能分析不同环氧树脂分散体、固化剂比例以及配方中颜料体积浓度等因素对水性底漆防护性能的影响,根据分析结果进行配方优化。同时,根据TB/T 2260—2001《铁路机车车辆用防锈底漆》进行性能测试,为实际生产应用提供参考。
1 试验部分
1 . 1 试验原材料
主要原材料见表1 所列。
1 . 2 试验仪器及设备
主要试验仪器及设备见表2 所列。
1 . 3 水性双组分环氧涂料制备工艺
1)基料组分(A 组分)制备
将水、助溶剂和部分水性环氧树脂分散体加入带搅拌装置的容器中,在搅拌状态下依次加入润湿分散剂、消泡剂、气相二氧化硅、颜填料等,高速分散5 ~ 15min,用砂磨机研磨至需要的细度(≤ 25 μ m),再加入剩余的环氧树脂分散体、附着力促进剂、水等,搅拌均匀,出料。
2)固化剂组分(B 组分)制备
固化剂不需稀释,可直接使用。
3)双组分混合
将A、B 组分按一定例混合,搅拌均匀,并用去离子水稀释至喷涂黏度(40 ~ 50 s(涂-4 杯,23 ℃ )),过滤后喷涂制作样板。
1 . 4 主要测试方法
1)固体分测定
参照GB/T 6751—1986《色漆和清漆挥发物和不挥发物的测定》。
2)研磨细度测定
参照GB/T 6753.1—1986《涂料研磨细度的测定》。
3)涂料黏度测定
参照GB/T 6753.4—1998《色漆和清漆用流出杯测定流出时间》。
4)涂料适用期测定
将双组分涂料按所需比例混合,记录混合时间,调整至适用黏度,喷涂制作样板,然后经充分干燥后测试其硬度、附着力性能,记录试验结果作为参照。再分别取双组分混合后1 h、2 h、3 h、4 h (如有需要可继续取样)的样品进行样板制作,在同样干燥条件下对比参照样板硬度、附着力等性能,出现性能下降前后一次取样时间即为样品的胶化时间(适用期)。
5)干燥时间测定
参照GB/T 1728—1979《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》。
6)弯曲性能测试
参照GB/T 6742—1986《漆膜弯曲试验(圆柱轴)》。
7)杯突试验
参照GB/T 9753—1988《色漆和清漆杯突试验》。
8)划格试验
参照GB/T 9286—1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》。
9)耐冲击试验
参照GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击性测定方法》。
10)耐盐雾性能测试
参照GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》。
2 结果及讨论
2 . 1 固化剂比例对漆膜性能的影响
溶剂型涂料和水性涂料在成膜机理及过程方面存在本质差异:溶剂型环氧涂料为均相体系,环氧树脂和固化剂溶解于溶剂中,混合后树脂分子与固化剂分子可充分接触,并随着溶剂挥发发生固化反应,形成结构致密、均匀的漆膜;而水性环氧涂料一般为环氧树脂分散在水中形成的多相体系,随着涂料中水分不断蒸发,分散相胶粒逐渐接近,进而形成紧密堆积。此时,残留在缝隙间的少量水分会形成巨大的毛细管压力,促使环氧树脂胶粒与固化剂分子进一步靠近,从而发生固化反应,并终形成致密的漆膜。
理论上来说,虽然双组分环氧涂料的固化反应实质是1 个活化氢分子与1 个环氧基团作用,交联形成三维空间结构,但由于在水性环氧涂料固化过程中固化剂先与环氧树脂胶粒表面接触并发生固化反应,然后随着反应的进行,胶粒表面的环氧树脂相对分子质量和玻璃化转变温度都逐渐升高,固化剂向胶粒内部的扩散受到阻碍,逐渐变慢。也就是说,水性环氧树脂分散相粒子表面固化反应充分,而内部固化反应不充分,部分环氧基团未能与固化剂发生反应。因此,在实际应用中需要根据试验结果选择主剂与固化剂的佳配比。
根据上述分析,本文设计如下试验以选择佳固化剂配比。A 组分见表3 所列,B 组分为水性环氧固化剂1,不需稀释,可直接与A 组分混合使用。根据理论计算,当A 组分中环氧基团与B 组分中活泼氢物质的量比为1 ∶ 1 时,A、B 组分的质量比为100 ∶ 12;当其物质的量比为1.00 ∶ 0.65 时,质量比为100 ∶ 7;物质的量比为1.0 ∶ 0.8 时,质量比为100.0 ∶ 9.5。将A、B 组分按照此3 个不同比例进行混合,并喷涂制作样板,然后进行耐盐雾性能测试。
不同固化剂比例的漆膜经500 h 耐中性盐雾测试后的照片见图1。
由图1 可见,当固化剂比例过低或过高时,漆膜耐盐雾性能变差。如前所述,由于双组分水性环氧涂料的固化是固化剂逐渐向环氧树脂分散相微粒内部扩散反应的过程,所以微粒内部会剩余部分环氧基团无法与固化剂发生交联反应,即按照环氧基团与活泼氢物质的量比1 ∶ 1 进行双组分混合时则固化剂过量。而双组分水性环氧涂料使用的固化剂亲水性较强,这部分未参与固化反应的固化剂使得涂层吸水率大幅升高,导致涂层耐水性、耐盐雾性下降;当环氧基团与活泼氢物质的量比为1.00 ∶ 0.65 时,由于固化剂用量过低,涂料交联密度过低,致密性差,同样导致涂层耐盐雾性能变差。由此可知,固化剂用量对双组分水性环氧涂料的性能影响较大,在实际应用中需通过试验优化选择合适的用量。根据耐中性盐雾测试结果得出环氧树脂水分散体1 与水性环氧固化剂1 的佳物质的量比为1.0 ∶ 0.8。
2 . 2 配方中颜料体积浓度对底漆性能的影响