王 磊， 崔灿灿， 韩忠智， 段绍明， 郭晓军
（中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451）
摘要：通过对环氧树脂、固化剂、锌粉、颜填料、稀释剂等的研究，开发了防腐性能优异的环氧富锌底漆，该涂料具有适用期长、表干时间快等特点。
关键词：防爆聚；表干时间；适用期；环氧富锌底漆；锌粉
0 引言
富锌涂料作为钢结构防腐的配套产品，以其优异的综合性能，长效的防腐性能受到钢结构市场的重视[1]，被广泛应用于炼化储罐、输油输气管道、海上钻采平台、轮船、码头、桥梁等的耐久性防护。环氧富锌底漆是由环氧树脂、锌粉、溶剂、助剂及固化剂等组成的双组分常温固化涂料，由于环氧树脂成膜后附着力强，并以大量的锌粉作为活性颜料，有助于提高体系的综合防腐性能，因此在富锌涂料中占有重要的地位。
由于环氧富锌涂料添加大量锌粉，同时为提高涂层的颜基比，成膜树脂体系及稀释剂配比调整空间较小。该涂料存在夏季高温环境下易爆聚、冬季低温环境下涂层表干时间长等问题，严重影响涂料的施工适用性，同时，锌粉的添加对涂料的耐盐雾性、耐盐水性、贮存稳定性产生较大影响，使市场应用受到一定限制。
根据现场施工反馈，在不影响涂层固化质量的前提下有针对性地对涂料成膜固化剂、环氧树脂及稀释剂种类进行筛选，进一步对富锌涂料进行研究，提高环氧富锌涂料的施工适用性。
1 试验部分
1.1 试验原材料及仪器
主要试验原材料：环氧树脂，台湾南亚；锌粉，北京北矿锌业；防沉剂，天津环绮；溶剂，天津风船；酚醛胺固化剂，上海江桥；聚酰胺固化剂，空气化工；腰果壳类聚酰胺固化剂，卡德莱化工；颜填料，市售。
主要试验仪器：SSP 600循环腐蚀盐雾箱；锥型磨；PosiTestAT拉拔附着力试验仪；QuaNix 7500涂层测厚仪；NDJ-4旋转黏度计。
1.2 试样的制备
根据配方进行环氧树脂、固化剂、锌粉等的筛选，调整样品组分后，用锥型磨进行研磨，研磨至指定涂料细度。根据试验需要，分别将配制好的不同基料与固化剂进行充分混合搅拌，按照HG/T 3668—2009《富锌底漆》的要求，在喷砂除锈后的70 mm×150 mm×3 mm的低碳钢钢片表面进行实验室试片的刷涂制备。刷涂后的试片在常温下固化并养护7 d后按照GB/T 1720—1989《漆膜附着力测定法》、GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》、GB/T 1728—1989《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》、 GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击性测定法》进行附着力、耐盐雾、干燥时间、耐冲击等性能测试。
2 结果与讨论
2.1 环氧树脂成膜体系的研究
基体树脂体系是涂料的主要成膜物质，选择合适的树脂是涂料配方设计成败的关键环节。环氧树脂是热固型树脂，其中双酚A型环氧树脂能够使用多种固化剂成膜，玻璃化转变温度高，成膜物黏结强度大，具有较好的耐腐蚀、耐酸碱、绝缘等性能，因此以5种牌号环氧树脂（E-51、E-42、E-20、E-12、E-06）作为研究对象进行对比，见表1所列。
通过对比，发现5种树脂具有不同的黏度及软化点，为筛选固化速度适宜室温施工的树脂体系，同时具有硬干速度快的效果，故选定软化点温度在64 ~ 76 ℃的E-20树脂及85 ~ 95 ℃的E-12树脂进行进一步研究。
固化剂决定着涂层体系的固化速度及固化后成膜物的性能，环氧涂料常用的有聚酰胺类、酚醛胺类及腰果壳改性的聚酰胺类固化剂[3]。聚酰胺有优异的综合性能，易施工且能厚涂，与面漆的配套性好，但低温固化性能较差；酚醛胺固化剂低温下固化速度明显提高，但漆膜的柔韧性和抗冲击性降低；腰果壳改性的聚酰胺固化剂具有低温固化性能，其漆膜又具有优异的综合性能，同时兼有聚酰胺和酚醛胺的优点，是冬季施工的一种比较理想的固化剂。为此选择聚酰胺固化剂A、酚醛胺固化剂B及腰果壳改性的聚酰胺固化剂C进行试验对比，搭配环氧树脂以确定适宜夏季防爆聚、快速硬干型的成膜物体系。
为了获得具有最佳机械性能和防腐性能的富锌涂料，在综合考虑各方面影响因素的基础上，对选定的环氧树脂及固化剂进行正交试验来得到最优化的成膜体系，结果见表2所列。
从表2可以看出，由于大分子量的环氧树脂玻璃化温度高，同时采用较高的固含量实现体系溶剂快速挥发，涂层的表干均较迅速，也促进了涂层的快速硬干。腰果壳改性的聚酰胺固化剂C的干燥速度适中，固化后涂层的附着力及柔韧性良好；而酚醛胺固化剂B固化速度快，但成膜后涂层物理机械性能差；同时，聚酰胺固化剂A的固化速度较慢，影响涂料的重涂性能。通过E-20及E-12树脂的对比可以发现，环氧当量的降低有助于提高涂层的柔韧性，但E-12树脂较E-20树脂干燥速度慢。因此采用E-20树脂与腰果壳改性聚酰胺固化剂C搭配的成膜体系进行下一步研究。
2.2 锌粉类型及含量的研究
锌粉粒子之间、锌粉粒子与钢铁表面之间紧密接触时，由于锌电位比铁更低，所以在电解质溶液中锌原子容易失去电子变成阳极，铁则为阴极。在阳极区锌由于失去电子而被腐蚀掉，在阴极区钢铁表面不断得到电子，从而得到保护，反应机理如图1所示。
球状锌粉是靠点接触来传递电子，因此一般用量较大。由于片状锌粉可以阻挡涂层腐蚀性介质渗透，并且形成无数微小区域，从而提高涂层的防腐蚀性能，同时片状锌粉由于与底材接触后能良好地与其他锌粉接触，提高锌粉的利用率。而球状锌粉易于分散，且由于加入量很大，因此钢铁在遭受腐蚀的过程中有更多的锌粉起阴极保护作用。综合两者的优点，本文将球状锌粉与片状锌粉按不同的比例互混制备涂料，分析球状锌粉与片状锌粉在不同比例时对涂层各种性能的影响，结果见表3所列。
表3结果表明，当m（球状锌粉） ∶ m（片状锌粉）=3 ∶ 7时，涂层的耐盐雾性能最佳，且具有良好的附着力及柔韧性，因此选择球状与片状锌粉的配比为3 ∶ 7进一步进行探讨。
在提高涂层体系基本防腐性能的同时，对涂料不挥发分中锌粉含量进行调整，观察其对体系的影响，以便提高体系的电化学防腐性能，结果见表4所列。
表4结果表明：随锌粉含量的增加，涂层的耐盐雾能力逐渐提高，但当锌粉含量达到85%时，耐盐雾性反而下降，锌粉含量对涂层耐水性无明显影响。锌粉含量较低时，锌粉颗粒间无法接触，从而不能保证涂层腐蚀时导电通路的畅通，涂层的防腐性能差；随着锌粉含量提高，涂层中锌粉与底材接触良好，极大地提高了涂层的防腐效果；当锌粉含量过高时，树脂不能很好地给锌粉提供完整的包覆层，腐蚀因子很容易扩散到底材引起腐蚀，导致涂层防腐效果变差。结果表明：75%锌粉含量的涂料性能良好，因此选定该锌粉含量进行涂料配方的进一步研究。
2.3 涂层颜填料体系的研究
锌粉作为化学防锈颜料，依靠化学反应实现涂层电化学防锈的效果。体质颜料的应用可以对涂料起到填充作用，降低涂料成本[6]，同时体质颜料还可以提高涂料各方面的性能，如改善涂料的流平性、不渗透性、光泽度等，也起着改善漆膜力学性能的作用，为此选择3种体质颜料与锌粉配套提高涂料的施工适用性及涂层性能。
根据环氧富锌底漆的特性，本文选择D、E、F、G 4种填料进行用量试验：D作为通用型防沉剂能够提高体系的防沉效果并极大地改善涂料的触变性，提高施工适用性，E可以改善涂料体系的耐盐雾、耐化学腐蚀性能，F、G作为常用填料一般占总配方的10% ~ 20%，在改善涂料性能的同时降低涂料成本。填料用量试验结果见表5所列。
由试验结果可知，P2配比下涂层的基本物理性能较优，因此选择颜填料配比为P2的涂料配方进行研究。
2.4 涂料环境适用性的研究
夏季，一般施工场地均处于阳光直射下，地面温度可达到45 ℃；冬季，施工场地温度在-15 ℃时环氧树脂涂料均已无法正常施工，一般环境温度达到5 ℃以上才可以施工，本文通过对腰果壳类聚酰胺固化剂的筛选将涂层固化温度降低到-5 ℃。为满足现场不同季节、不同温度条件下的施工，对涂料的触变指数、适用期及表干时间展开试验研究。涂料适用期及涂层表干时间见表6所列。
从表6结果可以看出，涂层在-5 ~ 45 ℃的范围内均具有较好的施工适用性，有利于提高涂层的综合使用性能。
在不改变涂料基本配方的情况下，对涂料触变指数进行了一定的调整，以便了解底漆刷涂厚度与触变性能的对应关系。在试验配方中调整填料D的用量，观察其对涂层刷涂后表观及刷涂厚度的影响，结果见表7所列。
从表7结果可以看出，当填料D用量＞0.5%时，涂层单遍厚度均＞60 μm，涂层具有良好的施工性能。当填料D用量＞1.0%时，刷涂后涂层表面有明显刷痕。综合考虑涂料的施工性能及涂层表观，选择填料D添加用量为0.7%。
2.5 涂料性能测试研究
通过以上研究，在涂料基本配方确定的基础上，在涂料体系中增加消泡剂X以提高体系的消泡能力，并最终确定环氧富锌底漆的配方，见表8所列。
对环氧富锌底漆涂层的综合性能进行了测定，测试结果见表9所列。
3 结语
本文通过采用分子量较大的双酚A型环氧树脂、腰果壳改性聚酰胺固化剂、级配的片状与球状锌粉等研制出了一种防腐性能良好的环氧富锌底漆，同时考察了涂料在不同环境下的适用性，并有针对性地提高了涂料体系的触变性能，达到了夏季防爆聚效果好及冬季快速硬干的效果，经测试，涂料及涂层的物理性能良好。
（文章发表于《现代涂料与涂装》2019-8）
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