孔凡桃
（浩力森涂料（上海）有限公司，上海 201802）
摘要：通过水性环氧分散体及改性胺固化剂、锌粉含量及粒径、防闪锈剂种类及用量等多个方案的研究，制备了低膜厚高防腐的水性环氧富锌涂料。结果表明：水性环氧分散体自身稳定性和富锌搭配稳定性非常重要，选择800目锌粉，含量占整个涂膜80%，涂膜的防腐性能最好；筛选解决闪锈问题又不影响耐盐雾的防闪锈剂，加入量为0.3%，涂料综合性能最好。
关键词：水性环氧富锌涂料；高防腐；低膜厚
0 引言
随着国家保卫蓝天计划的推进，涂料的水性化是大势所趋，而水性化中防腐性能无法有效达到溶剂型涂料，是推进水性化的一个阻力，如何有效提高涂膜的防腐蚀性能成为研究的热点[1-3]，水性环氧富锌涂料的高防腐性是必须攻克的难题。本文的研究重点是如何制备低膜厚下高防腐的水性环氧富锌涂料。
水性环氧富锌涂料由于锌粉与水会发生化学反应，导致锌粉的失效，在锌粉组分中不能含有水，现行业内有两种制备方法：1）水溶性环氧树脂和锌粉作为甲组分，胺类固化剂作为乙组分；2）改性胺类固化剂和锌粉作为甲组分，水性环氧分散体作为乙组分。第一种方案的特点是制漆工艺要求低，高防腐要求难达到，适用期短，产品施工要求高；第二种方案的特点是制漆工艺要求高，可以实现高防腐性要求，适用期长，产品施工要求低[4-6]。本文选择第二种制备方式进行高防腐水性环氧富锌涂料的研发。
1 试验部分
1.1 原材料与仪器设备
改性胺类固化剂、水性环氧分散体、锌粉、滑石粉、磷铁粉、分散剂、润湿剂、水性防闪锈剂、消泡剂、触变剂、硅烷偶联剂。
W101 岩田喷枪：日本岩田公司；Q-FOG盐雾试验机：美国翁开尔公司；附着力（拉开法）测试仪：美国DeFelsko公司；涂层测厚仪，英国Elcometer公司；划格器，上海现代环境工程股份有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 水性富锌涂料甲组分的制备
将改性胺类固化剂加入到容器中，依次加入分散剂、润湿剂以及锌粉、滑石粉、磷铁粉、消泡剂、触变剂，搅拌分散60 min后，在通冷却水的条件下3 000 r/min 高速分散3 h，细度≤50 μm后，用240目的滤网过滤制得水性富锌涂料甲组分。
1.2.2 水性富锌涂料乙组分的制备
将水性环氧分散体加入容器中，依次加入水性防闪锈剂、硅烷偶联剂，在1 000 r/min下搅拌分散40 min，细度＜10 μm后，用360目的滤网过滤制得水性富锌涂料乙组分。
1.2.3 水性富锌涂膜的制备
将水性富锌涂料甲组分和乙组分按照规定配比调漆，加去离子水稀释，参照GB 1727—1992《涂膜一般制备法》中的制板方式进行测试样板的制备，常温流平15 min后，70 ℃烘烤40 min，然后常温养护7 d后进行涂膜性能测试。
1.3 测试方法
参照GB/T 5210—2006进行涂膜的附着力（拉开法）测定；参照GB/T 9286—1998进行涂膜的附着力测定；参照GB/T 1733—1993《涂膜耐水性测定法》进行涂膜的耐水性测定；参照GB/T 1771—2007进行涂膜耐盐雾性测定；参照GB/T 1740—2007进行涂膜耐湿热性测定。
2 结果与讨论
2.1 不同环氧分散体和改性胺类固化剂的选择
水性环氧富锌涂料的成膜物质对涂料性能具有决定性的影响，针对水性环氧分散体，在锌粉涂料体系中混合不破乳是一项非常关键的指标。水性环氧分散体制备工艺主要分为自乳化和外乳化，自乳化稳定性好，细度小，外乳化稳定性差，细度大。对比了5款水性环氧分散体，技术指标见表1 ~ 2。
通过表1 ~ 2对比，分散体A自身细度（D50）就达到55 μm，放置150 d后细度增长到100 μm，调配涂料时直接破乳，常温贮存性差，不适合富锌体系；分散体B自身细度15 μm，放置150 d后细度增长到40 μm，常温贮存性差，调配涂料不破乳；分散体C自身细度15 μm，放置150 d后细度增长到25 μm，调配涂料时细度110 μm，出现轻微破乳，不适合富锌体系；分散体D自身细度5 μm，放置150 d后细度增长到10 μm，调配涂料时细度50 μm，自身乳液稳定性和对富锌体系的适用性都很好；分散体E自身细度10 μm，放置150 d后细度增长到30 μm，调配涂料时细度50 μm，自身乳液稳定性稍差，与富锌体系的适用性好。
改性胺类固化剂作为环氧富锌体系中防腐性能和机械性能的重要成分，类型选择非常关键。改性胺类固化剂种类有改性聚酰胺、改性脂环胺和改性芳香胺，而适合水性环氧富锌体系的固化剂非常少，主要是因为：1）对于锌粉的包裹能力和稳定性差异大；2）防腐性能和机械性能差异大。选择水性环氧分散体厂家对应配套的胺类固化剂进行涂膜性能测试，结果见表3。
由表3可知，分散体A由于破乳，导致整个涂膜性能差；其余4个分散体耐盐雾性排序为：分散体D优于E等于B优于C。结合表1 ~ 2的数据，国产分散体在自身稳定性和与富锌体系的适用性上还需要持续改进，此次乳液和固化剂选择进口的分散体D及其配套的改性胺作为后续配方的研发。
2.2 不同锌粉含量以及锌粉粒径对涂膜性能的影响
不同锌粉含量以及锌粉粒径对涂膜性能的影响见表4 ~ 5。
环氧富锌体系的防腐机理是通过牺牲阳极锌粉，从而保护阴极金属基材，而涂膜中锌的含量高低对防腐性能有明显的影响，国标规定涂膜中锌粉＞60%以上的涂料才可以定义为富锌涂料。通过表4的数据比对，涂膜的耐盐雾性随着锌粉含量的增加先增加后降低，锌粉含量从40%增加到80%时，耐盐雾性从600 h增加到1 500 h，随着锌粉含量进一步升高到85%，耐盐雾性下降到900 h，其他力学性能也有所下降，这主要是配方中PVC太高，成膜物无法有效包裹锌粉。通过对不同锌粉含量的数据比对，选择锌粉含量80%作为后续的配方研发参数。
由表5可知，不同锌粉粒径对涂膜的性能有影响，主要体现在耐盐雾性上，锌粉粒径200目，比较粗，导致耐盐雾性稍差，基本的耐盐雾趋势是随着锌粉粒径的变化，目数越大，耐盐雾性能越好，价格越贵，结合成本考虑选择800目锌粉进行后续配方的研发。
2.3 水性防闪锈剂对涂膜性能的影响
水性环氧富锌涂料作为直接与金属基材接触的底漆涂料，需要解决涂料成膜过程中的水与金属铁接触时产生的锈点问题，出现的锈点一般称为闪锈，最简便的解决方案是添加抗闪锈剂。市面上的抗闪锈剂一般分为两类，一类是最常见的硝酸盐，价格低廉，但具有生物毒性，还有致癌性，溶于水导致残留在涂膜中影响耐盐雾等性能；还有一类是有机金属盐和改性锌螯合物，或者两者混合使用，这类防闪锈剂具体控制闪锈的效果，同时在干燥过程中转化成不溶于水的络合物，不会影响涂料的耐盐雾等性能，价格相对贵一些。针对水性防闪锈剂，筛选4种新型防闪锈剂和亚硝酸钠一起进行性能对比，结果见表6。
通过表6分析可以看出，不同类型防闪锈剂的闪锈效果有差异，防闪锈剂B、D和亚硝酸钠效果最好，但对比耐盐雾性，亚硝酸钠最差，防闪锈剂B最好，相差1倍左右，有锈点的板面测试附着力也会下降一个等级。选择防闪锈剂B进行不同配方加量的性能测试，结果见表7。
通过对比发现，防闪锈剂含量为0.1%的板面有闪锈情况，≥0.3%的板面无闪锈；闪锈剂加量为0.3%时，耐盐雾性最好，但其他加量对耐盐雾性降低不明显，说明防闪锈剂B对防闪锈效果好，对耐盐雾性影响也不明显。
2.4 涂层综合性能
经过对水性环氧分散体及固化剂种类、锌粉含量、锌粉粒径以及水性防闪锈剂的筛选，进行最佳配方的组合制备涂料，喷涂在抛丸粗糙度Sa2.5级的热轧板上，流平10 min后70 ℃烘烤60 min，然后室温养护7 d进行涂膜性能测试，最终的涂膜性能见表8。
由表8可以看出，制备的水性环氧富锌涂料形成的涂膜机械性能优异，抗闪锈性好，在抛丸板上40 ~ 50 μm的膜厚，耐盐雾性达1 500 h，耐水性达1 000 h，耐湿热性1 500 h无起泡，具有非常好的防腐性能，可以用于集装箱等工业领域。
3 结语
通过对水性环氧分散体和改性胺类固化剂的筛选，找到一款自身分散体稳定性好、调配不返粗、耐盐雾性优异的配套体系，在此基础上进行锌粉目数和含量的性能筛选，采用锌粉含量80%、锌粉目数800目制备的涂料防腐性能最佳。进一步筛选合适的水性防闪锈剂及其用量，筛选出一款防闪锈性能好同时不影响耐盐雾性能的产品，最终制备的高防腐水性环氧富锌涂料在40 ~ 50 μm低膜厚条件下耐盐雾性可以达到1 500 h，同时还有优异的机械性能。
（详情见《现代涂料与涂装》2021-8期）
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