水性防腐蚀涂料的研制
何新快1, 2, 陈白珍1, 2, 陈 洪1, 周宁波1
( 1. 株洲工学院包装与印刷学院, 湖南 株洲 412008;2. 中南大学冶金物理化学与材料化学研究所, 湖南 长沙 410083)
( 1. 株洲工学院包装与印刷学院, 湖南 株洲 412008;2. 中南大学冶金物理化学与材料化学研究所, 湖南 长沙 410083)
0 引 言
金属的腐蚀给世界各国带来巨大的经济损失,长期以来, 一直采用多种技术对金属加以保护, 防止腐蚀的发生 。其中, 金属防腐蚀有效、常用的方法之一是在金属表面涂敷防腐蚀涂层, 以隔绝腐蚀介质与金属基体。因此, 出现许多性能优良的涂料, 如重防腐蚀涂料、聚氨酯防腐蚀涂料、环氧树脂、含氟涂料等, 但这些涂料一般含有大量的有毒挥发性溶剂如二甲苯等, 造成环境污染。所以水性涂料、环保型防腐蚀涂料已成为研究的热门课题。成功研制出了一种环保型水性防腐蚀涂料, 其涂膜性能优于目前C06- 19 稳定型油溶性带锈涂料, 其制备工艺简单、成本低、环境污染小。
1 试验部分
1. 1 药品与仪器
磷酸( 分析纯) 、氢氧化铝( 工业级) 、氧化锰( 分析纯) 、明矾( 工业级) 、动物胶( 工业级) 、聚乙烯醇缩丁醛PVAB( 工业级) 、PVA( 聚乙烯醇) 、渗透促进剂( 自制) 、表面活性剂[ w ( 聚乙二醇辛基苯基醚类非离子表面活性剂) ：w ( 烷基糖苷类活性剂) ：w ( 乙醇) = 1. 0：0. 5：1. 5 混合即得] 、有机合成标准磨口玻璃仪器、搅拌器、检测涂料性能的整套仪器。
1. 2 “三带”防腐蚀涂料的配方
“三带” ( 带水、带锈、带油) 防腐蚀涂料的配方为: 20% 磷酸, 0. 2% 动物胶, 0. 1% 明矾, 1. 0% 氢氧化铝, 0. 4%氧化锌, 0. 3% 氧化锰, 0. 4%丙烯酸,1. 2%PVAB, 20%丙烯酸丁酯, 12% 丙三醇, 0. 1%PVA, 0. 8%表面活性剂, 0. 8% 渗透促进剂( 有机多羟基酸) , 余量为水, 各用量均为质量分数。
1. 3 制备工艺
铁锈转化液制备: 按配方计量比例, 先将磷酸与氢氧化铝混合均匀, 再加入氧化锰和氧化锌, 加热至溶液澄清, 趁热加入缓蚀剂, 搅拌至溶解, 再将动物胶、明矾和水混合加热溶解得到的溶液倒入, 边加热边搅拌均匀, 后依次加入渗透促进剂和其他辅料,搅拌至全部溶解便得防腐蚀涂料铁锈转化液A。
有机成膜液配制: 称取一定量的PVAB, 用约16 倍的丙三醇在水浴加热到80~ 90 ℃ 时溶解, 自然冷却至室温备用( I液) ; 称取一定量的PVAB 用约8 倍丙烯酸丁酯的水浴加热到90℃ 时完全溶解并保持温度在40℃ 左右( II液) , 以1. 0：1. 1 的体积比将I 液倒入II液中并搅拌, 同时水浴加热, 直至完全溶解即得有机成膜液B。
有机成膜液配制: 称取一定量的PVAB, 用约16 倍的丙三醇在水浴加热到80~ 90 ℃ 时溶解, 自然冷却至室温备用( I液) ; 称取一定量的PVAB 用约8 倍丙烯酸丁酯的水浴加热到90℃ 时完全溶解并保持温度在40℃ 左右( II液) , 以1. 0：1. 1 的体积比将I 液倒入II液中并搅拌, 同时水浴加热, 直至完全溶解即得有机成膜液B。
环保型防腐蚀涂料的配制: 将A 组分与B 组分按1. 0:1. 3( 质量比) 进行混合, 同时加入适量表面活性剂不断搅拌均匀便可得到粘稠状液体的环保型防腐蚀涂料。
2 试验结果与讨论
2. 1 环保型防腐蚀涂料的主要性能
将研制的涂料和市售C06- 19 稳定型油溶性带锈涂料进行性能比较, 结果见表1。从表1 可知:不仅该涂料的外观和流动性能均优于C06- 19 油溶性带锈涂料, 而且涂膜的附着力、干燥速度和耐( 环境) 介质性能、膜层厚度的均匀性和平整性等也明显优于C06- 19 油溶性带锈涂料。试验还发现,将此涂料直接涂在带有少量油污或水的锈面上, 涂料也能很快形成均匀致密的涂膜, 而普通水溶性或油溶性带锈涂料均很难涂上, 这表明该涂料具有很广泛的适用范围。
表1 "三带" 环保型防腐蚀涂料的主要性能
2. 2. 2 氧化锰和氧化锌用量
2. 2 主组分对涂料性能的影响
2. 2. 1 磷酸用量
磷酸用量对涂料性能的影响见表2。从表2 可以看出, 开始随着磷酸用量的增加, 所得到的涂料成膜效果和稳定性变好, 当其用量为20%, 涂料成膜效果好, 再增加其用量, 成膜效果反而有所下降。其原因是该涂料中含有有机成膜物和无机成膜物,其中磷酸是形成无机成膜物的重要物质, 随着铁锈溶解反应的进行, 钢铁表面的酸度降低, 当达到某一种难溶磷酸盐的溶度积后, 就发生磷化成膜反应:
磷酸用量过少无法成膜, 用量过多, 酸会进一步腐蚀金属内部, 不能起到保护作用。因此, 磷酸在涂料中的佳质量分数为20%。
氧化锰和氧化锌对涂料性能的影响见表3。从表3 可以看出, 开始随着氧化锰和氧化锌用量的增加, 所得到的涂料成膜效果变好, 当其用量分别超过0. 3%和0. 4%时, 制得的涂料成膜效果仍然很好,但稳定性变差。这是因为氧化锰和氧化锌都能与磷酸参加无机成膜反应, 有利形成无机保护膜; 但当用量过量时, 易破坏涂料体系的稳定。
2. 2. 3 A 液与B 液之比
A 液与B 液之比对涂料性能的影响见表4。
从表4 可以看出, 开始随着其比值的减小( B 用量的增加) , 所得到的涂料的成膜效果、稳定性和带水带油性都变好, 当其比值为1. 0 :(1. 3~ 1. 4) 时,制得的涂料成膜性能好。其原因是在形成无机膜反应中, 加入了有机膜网络结构的形成, 使膜层交联覆盖于金属表面, 增强了防锈、防水效果。
2. 2. 4 丙烯酸酯和丙三醇的用量
丙烯酸酯和丙三醇的用量对涂料性能的影响见表5。从表5 可以看出, 开始随着它们的用量增加,所得到的涂料的成膜效果、稳定性和带水带油性都变好, 但丙烯酸酯和丙三醇的用量分别超过20%和12%时, 对涂料的性能几乎没有影响。这主要是因为, 在制备聚乙烯醇缩丁醛液的过程中, 丙烯酸酯和丙三醇起稀释、分散作用, 加入量过少则聚乙烯醇缩丁醛浓度太大无法形成有机成膜物, 过多则有机成膜物的稳定性变差。
2. 2. 5 表面活性剂用量
自制表面活性剂是采用聚乙二醇辛基苯基醚类非离子表面活性剂加入适量烷基糖苷类活性剂及乙醇( 三者质量比为1. 0:0. 5:1. 5) 制得, 将表面活性剂加到转化液A 和有机成膜物B 的混合溶液中得到涂料, 其中转化液和成膜物胶液的质量比为1. 0:1. 3。改变表面活性剂用量, 研究其对涂料性能的影响, 结果见表6。由表6 可知, 表面活性剂用量过少, 涂料的带油、带水性较差; 用量过多, 涂膜的防水、防腐蚀性能明显下降, 而涂料的稳定性却逐步增加。这是由于添加少量表面活性剂, 对涂料本身的有机和无机成膜物有一定的增溶和分散作用, 当涂料用于带有少量水分的金属表面, 很容易将其与涂料组成溶为一体; 当遇到金属表面有少量加工剩余的油污时,表面活性剂又能起到除油、去污的作用; 同时能改变与金属表面的亲润性。综合诸多因素考虑, 表面活性剂在涂料中的质量分数以0. 8%为好。
2. 2. 6 渗透促进剂对锈面转化速率的影响
将自制的渗透促进剂( 有机多羟基酸) 按涂料质量的0. 8%的用量加入到涂料中, 研究它们对锈面转化率的影响, 结果见表7。其中转化率是用目测方法观察锈面转化成黑色面积占涂刷面积的百分数。由表7 可看出, 未加渗透促进剂, 锈面转化较慢, 而加0. 8%促进剂在7 h 左右几乎将锈层全部转化, 使锈面很快形成一个防水耐蚀性强的致密均匀黑色涂层。这是因为促进剂能与溶解的Fe3+ 或Fe2+ 形成配合物膜, 并增加涂膜与基体的结合力及涂膜的硬度, 这从表7 可以看出。
3 结 论
( 1) 采用预先制铁锈转化液和有机成膜液的方法, 成功制备了水溶性环保涂料, 得到了佳配方及其制备工艺;
( 2) 自制表面活性剂能加强涂料的增溶和分散作用, 渗透促进剂能增加涂膜与基体的结合力及涂膜的硬度;
( 3) 该防腐蚀涂料既可采用浸涂也可采用刷涂的方法, 使用方便, 而且涂料可直接涂在带有少量油污或水的锈面上, 涂料也能很快形成均匀致密的涂膜, 研制的涂料具有很广的适用范围;
( 4) 涂膜具有附着力强、干燥速度快和耐( 环境)介质性能好、膜层的均匀性和平整性优良等特点。
