水性带锈涂装底漆的研制
张桂顺，左 骅，陈钊聪，陈以满，刘保磊
(江苏长江涂料有限公司，南京 210047)
0 前 言
钢铁是当今社会使用多的金属材料。钢铁腐蚀不仅会破坏材料的外形、色泽，更可能降低其制品的精度、灵敏度及质量等级，使制品报废，甚至造成机毁人亡的重大事故。防腐涂料是抑制钢铁腐蚀的主要手段。为了获得优异的防腐效果，传统防腐涂料在施工前需对底材进行严格的除锈处理。这些处理步骤(手工、动力工具除锈或喷砂或喷丸除锈)耗时耗力，不仅会明显提高制品造价，还不能处理复杂作业面的死角，重要的是会造成钢结构减薄，降低其强度。因此，对于难以除锈的制品、工程(如：大型建筑、桥梁、复杂的设备)以及要求节约人力、工时、成本的防护场合，实现带锈涂装显得尤为重要。随着VOC排放政策的日益收紧，带锈涂装也面临着水性化的转型挑战。
水性带锈涂装底漆从作用机理上主要分为稳定型、渗透型及转化型3种[3]。稳定型产品是利用涂料基体树脂本身的反应基团，以及涂料添加的活性防锈颜料与锈层发生固相反应，在涂层中生成稳定的多酸络合物，从而达到稳定锈蚀的作用。常用的活性防锈颜料为铬酸盐、磷酸盐和铁酸盐.转化型产品则含有一种能与铁锈起化学反应的转化剂，使腐蚀产物中的铁锈转化为对基材具有一定保护作用的络合物或螯合物。常见的转化剂有磷酸、亚铁氰化钾、水杨酸等。渗透型产品自身不与铁锈发生反应，而是通过选择具有强渗透性的树脂作为涂料的基体，并且借助于渗透剂及极性溶剂，使涂料在锈层中具有良好的渗透性，从而将酥松的铁锈包围，并与基材分隔，有效地将基材与外界的腐蚀介质隔离。
本文着重选取市场普遍接受的渗透型和转化型带锈涂装产品，通过制漆性能研究，对二者的特性及注意事项展开讨论。
1 实验部分
1.1 原材料与设备
AC24自交联水性丙烯酸分散体，进口，固含量(50%±1%)，MFFT：26 ℃；4013水性丙烯酸乳液，国产，固含量(46%±2%)，MFFT：45 ℃；BC10自乳化水性醇酸树脂，国产，固含量(75%±2%)，助溶剂为丁醇；炭黑，德固赛；钛白粉，金红石型，山西添光；二甲基乙醇胺，扬子石化-巴斯夫；催干剂，OMG；杀菌剂，陶氏化学；缔合型聚氨酯增稠剂，万华化学；润湿剂、分散剂、消泡剂，毕克化学；抗闪锈剂，阿斯柯迪；单宁酸、磷酸、沉淀硫酸钡，工业品；蒸馏水，自制。
SFJ-400分散、研磨两用机，现代环境工程技术有限公司；3-Gloss型光泽仪，标格达仪器用品有限公司；盐雾试验箱，CW专业设备有限公司。
1.2 渗透型带锈涂装底漆的制备
在分散釜中加入BC10自乳化水性醇酸树脂、催干剂、助溶剂，搅拌均匀。加入二甲基乙醇胺调整体系pH值，并加入水搅拌乳化树脂。向分散釜中继续加入分散剂、硫酸钡、炭黑、钛白粉，700 r/min分散至无粉团无结块。随后将浆料泵送至砂磨机，研磨至细度小于20 μm，色浆转回分散釜开始调漆。将4013乳液、助剂缓慢加入浆料中，搅拌30 min。加入增稠剂调整体系黏度至70～80 KU，使用120目铜丝布过滤即获得渗透型水性带锈涂装底漆。表1给出了不同制备条件下渗透型水性带锈涂装底漆的具体配方。
1.3 转化型带锈涂装底漆的制备
1.3 转化型带锈涂装底漆的制备
在分散釜中分别加入蒸馏水、分散剂、硫酸钡，700 r/min分散至无粉团无结块。随后将浆料泵送至砂磨机，研磨至细度小于20 μm，色浆转回分散釜开始调漆。将pH值调节剂、AC24水性丙烯酸分散体及助剂缓慢加入浆料，搅拌30 min。缓慢加入15%的单宁酸水溶液及磷酸，加入增稠剂调整体系黏度至40～50 KU，使用120目铜丝布过滤即获得转化型水性带锈涂装底漆。表2给出了不同制备条件下转化型水性带锈涂装底漆的具体配方。
1.4 主要性能指标
参考化工行业标准HG/T 4758—2014的性能测试方法对所得水性带锈涂装底漆进行制板及性能测试。其中，水性带锈涂装底漆的耐水性、耐盐水性及耐盐雾性是在锈蚀的冷轧钢上进行测试，试板喷涂两道，总干膜厚度为(60±10) μm，养护时间为14 d。底面配套涂层的耐盐雾性同样在锈蚀的冷轧钢上进行测试，试板喷涂两道，一底一面，底漆干膜厚度为(30±5) μm，面漆干膜厚度为(30±5) μm，养护时间为14 d。所配套的面漆为AC24分散体制备的高光单组分灰色面漆。
锈蚀的冷轧钢板通过以下步骤获得：将钢板按GB/T 1771—2007的规定进行168 h耐盐雾试验，再按GB/T 1740—2007的规定进行168 h耐湿热试验。取出后用约50 ℃热水边冲洗边用尼龙刷刷洗3 min后，再用自来水边冲洗边用尼龙刷刷5 min，然后在(105±2)℃条件下烘1 h。用钢丝刷手动打磨除去钢板表面浮锈，保留牢固附着的锈迹，晾干，用高压空气吹去表面浮灰，待用。所得产品性能指标列表如表3。
2 结果与讨论
2.1 渗透型水性带锈涂装底漆的性能特点
渗透型产品自身不与铁锈发生反应，而是通过涂料在锈层中具有良好的渗透性，将酥松的铁锈包裹，使其与基材分隔，同时有效将基材与外界的腐蚀介质隔离，从而实现基材防护。因此，确保该类产品的渗透性、润湿性及与基材的化学惰性(如：不易闪锈)是获得优异防护性能的关键。
本文选取了高润湿性的BC10水性醇酸树脂搭配高硬度4013水性丙烯酸乳液的方案进行该体系的制备探索。其中，BC10水性醇酸树脂水分散性优、VOC较低，乳化后体系黏度低、渗透性强。同时，BC10具有较高的不饱和度，其氧化交联产生的吸氧过程可以有效抑制金属基材的遇水闪锈，是实现带锈施工的核心特性。实验显示(见表3)，提高体系内BC10树脂的比例(底漆A)，底漆及其底面配套涂层的耐盐雾性显著提升。然而由于BC10醇酸自身亲水单元偏多，过高的醇酸含量会影响体系的耐水，因此需适当拼用高分子量、高Tg的4013水性丙烯酸乳液(底漆B)，提升体系的耐水性、干性与硬度。需要注意的是，虽然水性醇酸体系可以带锈施工，但在锈蚀的基材上仍必须添加适当的抗闪锈剂，以完全避免涂层干燥前出现的吐锈问题。值得注意的是，由于水性醇酸体系润湿性、包覆性更优，往往可以在较高的PVC下仍保持较好的涂层性能，因此该类产品的综合成本更低。
2.2 转化型水性带锈涂装底漆的性能特点
转化型产品主要通过转锈剂与铁锈间的化学反应，将疏松的腐蚀产物转化为相对稳定的金属螯合物或络合物，从而阻止基材的进一步腐蚀。该底漆制备的核心是遴选适宜的锈转化剂与载体树脂。本文选取了广为认可的、高效且经济的磷酸/单宁酸转锈剂体系。同时，筛选了在pH值3.5～10的条件下可以稳定贮存，同时具备优异的成膜性能、耐盐雾性的AC24水性丙烯酸分散体为载体树脂。与BC10水性醇酸树脂不同，AC24丙烯酸分散体的润湿性和颜料包裹性稍差，因此不适宜制备高PVC的底漆(如表3，底漆F的性能明显差于底漆D、底漆E)。同时，涂料中需使用高效润湿的表面助剂(如Tego 4100、BYK349等)确保涂料与锈层的充分接触，提高转锈剂的反应效率。
在转锈剂用量方面，由于实际施工底材的锈蚀情况可能千差万别，为避免出现用量过低转锈不完全或用量过高大量残留而影响涂层性能等问题，转锈剂用量应根据实际锈蚀情况进行调整。由于铁锈反应产物呈现黑色外观，实际涂装中往往以锈蚀表面是否完全变黑来判断转锈是否完全。填料筛选方面，由于转锈剂为强酸性，体系必须选取在酸性介质中稳定的材料作为体质颜料，以免出现副反应。在防护效果方面，单一的转化型底漆涂层的防护效果不及渗透型底漆(表3的底漆耐盐雾性数据)。这是由于AC24体系的包覆性差于BC10体系，带锈施工后AC24体系的孔隙更多，腐蚀介质更容易接触到基材，因此单一涂层耐盐雾性稍差。但是对于底面复合涂层而言，转化型的AC24体系性能比BC10更优，这可能是由于铁锈已转化为稳定性更高的转锈产物，后期返锈的隐患更低。
3 结 语
3 结 语
本文选取BC10/4013体系与AC24/磷酸/单宁酸体系分别制备了渗透型水性带锈涂装底漆和转化型水性带锈涂装底漆，并通过性能评价对二者进行了研究，基本结论如下：
(1)BC10/4013渗透型带锈涂装体系：BC10水性醇酸树脂提供带锈涂装特性，4013水性丙烯酸乳液提供硬度、干性和耐水性；BC10/4013体系颜填料包覆性好，可制备更高PVC的底漆，成本更低；单涂层性能较好，在低防腐要求的情况下可做底面合一漆使用。
(2)AC24/磷酸/单宁酸转化型带锈涂装体系：AC24在酸性环境下贮存稳定，且具有优异的防腐性能；磷酸/单宁酸的用量应根据锈蚀情况进行调节，避免过量或不足；AC24体系颜填料包覆性一般，不宜制备高PVC的底漆；底面复合涂层的性能更优，适用搭配高性能的面漆用于中高腐蚀环境。
