电气设备外壁用水性单组分自干防锈底漆的制备与研究
姚 煌1，2，许振阳1，2，谢 唯1，2，张 红1，2，许奕祥1，2，李 娜1，2（1. 广州擎天材料科技有限公司，广东广州 510860 ；2. 中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510080）
0 引言
电气设备，如变电站和配电所的端子配电箱、城市通讯系统的配电箱，以及近年来正在普及推广的箱式变电站等一般均放置在户外，上述设备大多数采用金属外壳防护，但因为铝合金的造价较高，其使用受到了限制，所以在实际应用中较多的是在钢板表面涂装涂料加以防护。由于电气设备外壳的防护具有体积庞大、结构复杂，工件多面、多孔，零部件和整机涂装工艺复杂，涂覆道数多，喷涂容易出现死角，需要淋涂施工等特点，给涂料研发与涂装技术带来很大挑战。
目前我国应用于电气设备外壁防护的涂料体系多为溶剂型或者水性双组分体系，水性单组分自干型防护涂料体系目前仍然处于空白。本研究主要介绍一种电气设备外壁用的水性单组分自干防锈底漆，该产品施工适应性强，物化性能和工艺指标达到甚至超过同类型溶剂型涂料的技术要求。与现有水性涂料相比，该产品无需加入任何交联剂和固化剂，可实现室温自干，施工简便，并且拥有良好的防腐性能和耐老化性能。
1 实验部分
1.1 水性防锈色浆的制备
将配方（如表1 所示）中去离子水、润湿分散剂、pH 调节剂加入搅拌槽中，在中速搅拌下滴加部分消泡剂，然后按照颜填料粒径由小到大的顺序依次添加磷酸锌、三聚磷酸铝、滑石粉和硫酸钡等，再添加触变剂气相二氧化硅和防霉杀菌剂，后添加剩余的消泡剂，研磨速度控制在3 300~3 500 r/min，研磨1~1.5 h，至浆料细度≤ 25 μm，然后添加防锈颜填料磷酸锌铝、云母氧化铁红和玻璃粉，以转速2 500~3 000 r/min 高速分散30~40 min，即制得水性防锈色浆。
1.2 水性防锈底漆的制备
在800~1 000 r/min 的搅拌速度下，按照配方（如表2 所示）依次加入水性丙烯酸树脂乳液、成膜助剂、中和剂、水性防锈色浆、润湿剂、流平剂、消泡剂和增稠剂，混合搅拌均匀，即制得水性防锈底漆。
1.3 性能指标
1.3 性能指标
产品性能指标检测结果见表3。
2 结果与讨论
2.1 基料树脂的选用
基料树脂的性能直接决定了涂料的成膜性能，在选择基料树脂时，通过比较不同树脂配制的清漆所需成膜助剂用量，以及涂料的成膜性、干燥速度、附着力、硬度和初期耐水性来选择合适的树脂。选用FR-71K、WA-613、PR-892、805、0639、MC-105 和EA-20420 7 个不同型号的丙烯酸树脂乳液。在100 g树脂乳液中，分别添加相同用量的成膜助剂6 g 和少量的润湿流平剂，观察比较各树脂乳液成膜后的各项性能，结果见表4。
由表4 可见：MC-105 有机硅改性丙烯酸树脂乳液不仅干燥速度快，其他性能也明显优于其他树脂乳液，该类型树脂是利用树脂中的乙氧基团可以发生水解产生Si—OH 基团，在成膜的过程中容易与金属基材或者聚合物（如色浆分散剂、面漆树脂等）中的其他活性基团发生反应形成交联结构，确保树脂能够将固体颜料和填料粒子牢固地黏附在基材上，对多种金属基材附着力好，由于这种强黏附作用，就可能配制颜基比极高的底漆，树脂本身还具有优良的耐热性、耐寒性、电绝缘性和高弹性等特殊性能。另外，水解产生的Si—OH 基团在干燥过程中会发生缩合反应而形成疏水性强的Si—O—Si 键交联点，使得涂膜的吸水率下降，起到降低底漆吸收水分的作用。因此选择MC-105 树脂乳液作为目标涂料的基料树脂。
2.2 成膜助剂的用量
选用快干的成膜助剂，涂膜的干燥速度较快，但是容易产生开裂现象，而选用相对慢干的溶剂，涂膜成膜性较好，但是干燥速度明显降低，漆膜的初期硬度上升缓慢。选用Texanol（醇酯12）、DPM（二丙二醇甲醚）按1∶1 混合作为成膜助剂添加到水性乳液中，考察该复合成膜助剂体系的用量对涂膜性能的影响，结果如表5 所示。
由表5 可见：复合成膜助剂体系的用量按照树脂乳液固体分的4%~8% 添加，涂膜的外观由初的出现明显裂痕逐渐转变到形成一层平整、光滑、无开裂的连续涂膜，而涂膜的干燥时间由初的23 min上升至33 min。综合涂膜外观、干燥时间和成膜过程中VOC（挥发性有机化合物）的挥发考虑，选择复合成膜助剂体系的添加量为树脂乳液固体分的7%。
2.3 涂层中颜填料的作用机理
2.3 涂层中颜填料的作用机理
制备的底漆通过可控的嵌段共聚技术，提高分散剂的空间位阻与相容性，在此基础上建立活性防锈颜料以三聚磷酸铝和改性磷酸锌为主，填料以云母氧化铁、硫酸钡、滑石粉为主的防锈颜填料的色浆体系。其中，改性磷酸锌和三聚磷酸铝中的P3O105-、PO33- 除了与成膜物中的极性基团（—OH，—COOH）络合成稳定的交联化合物，更能与Fe3+，Fe2+ 生成螯合物，在金属表面形成稳定的保护膜，抑制锈蚀的形成与扩展，从而起到防锈作用；云母氧化铁不溶于水、有机溶剂以及碱液，仅在高温下能微溶于强酸溶液。它与绝大多数的化合物都不反应，热稳定性好，其熔点超过1 500℃。当涂膜中含有一定比例的云母氧化铁时，玻璃鳞片状的云母氧化铁定向重叠排列在基材的表面上，在涂层中形成一个惰性阻挡层，可有效地减少大气、水、紫外线对钢结构的侵蚀（见图1）。
云母氧化铁的薄片结构（一般长40~50 μm，厚5~10 μm）使得涂料的干膜厚度通常超过50 μm，形成一种叠状的屏蔽层，这样就使得锌粉用量减少成为可能。
2.4 颜填料体积浓度的影响
颜填料体积浓度（PVC）是表征涂层性质的重要参数之一，考察了PVC 对单底漆涂层机械性能和防腐性能的影响，结果如表6 所示。
由表6 可见：PVC 在40%~55%，涂膜的耐腐蚀性逐渐增强，因为涂料中有足够的乳胶粒子来包覆润湿颜填料表面，填充颜填料之间的缝隙，在金属基材表面容易形成连续致密的涂层；PVC 在55%~65%，涂膜的耐腐蚀性反而会逐渐降低，因为此时基料乳液不能够完全包覆住颜填料粒子，难以形成连续相涂层，涂膜的致密性下降，从而影响了涂层的防腐蚀性能。结果表明：当涂层中的PVC 为55% 时，涂膜具有好的耐腐蚀性。
2.5 防锈底漆的施工性能
底漆的防护性能、机械性能的优劣在很大程度上取决于底漆的施工性能，此外，底漆的施工还会影响到生产成本、效率以及面漆涂层的质量。底漆的施工性能要求主要表现在流平性、流挂性、干燥时间和使用周期等方面，干燥时间过长或需要加温干燥，会导致生产效率降低或者施工成本增加；底漆流平性不好，干燥后涂膜表面不平整，涂覆面漆时可能会出现桔皮的弊病。
为提高涂料的贮存稳定性，体系需要有较高的低剪切黏度。另外，为了保证使用，搅拌和淋涂时应具有良好的流动性，即具有较低的中剪切黏度，因而需要涂料体系具有良好的触变性。在垂直面上湿漆膜黏度太低或者漆膜太厚时，容易出现流挂现象，一般在淋涂施工时需注意控制涂膜的厚度和施工黏度。将目标涂料体系稀释至黏度为20~25 s，膜厚控制在60 μm 时，淋涂效果佳，漆膜平整，光滑，无流挂。
3 结语
3 结语
针对电气设备外壁钢结构防护、使用性能以及涂装工艺等要求，进行涂料产品设计，开发了可用于电气设备外壁涂装的水性单组分自干防锈底漆。通过实验筛选，确定以自交联型快干有机硅改性丙烯酸酯树脂乳液MC-1105 作为该水性单组分自干防锈底漆的主要成膜物，以Texanol/DPM 作为复合成膜助剂体系，添加量为树脂乳液固体分的7% 时，乳液的成膜性与干燥速度达到佳。
通过可控的嵌段共聚技术，提高分散剂的空间位阻与相容性，建立活性防锈颜料以三聚磷酸铝和改性磷酸锌为主，填料以云母氧化铁、硫酸钡、滑石粉为主的防锈颜填料体系，当涂层中的PVC 为55%时，涂膜具有好的耐腐蚀性。该产品很好地满足了相关类型的电气设备防护涂装的工艺要求及防护性能要求，突显了水性涂料的优势，目前该产品已经通过客户试用认可。
