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水性防锈涂料的配方
工艺及原材料选择方法摘要：以无毒高效的三聚磷酸铝为主要防锈颜料、苯丙乳液为基料研制成的综合性能优良的水性防锈涂料的制备工艺，并对影响涂料性能的诸因素进行了分析。
    关键词：水性防锈涂料；三聚磷酸铝；颜料体积浓度
1  前言
  近年来，国内相继开发了一系列防腐蚀涂料，但大多为溶剂型。这类涂料除含有大量有机溶剂外，还含有许多有毒颜料，给环境造成污染。以苯丙乳液为主要基料配合无毒防锈颜料的水性防锈乳胶涂料，具有无毒、不燃、耐老化、耐化学腐蚀、附着力高等优点，成为当前防锈涂料发展的重点。本文以无毒高效的三聚磷酸铝为主体防锈颜料，苯丙乳液为基料，加入复合缓蚀剂，经优化组合配制成一种综合性能优良的水性防锈涂料，并对影响涂料性能的诸因素进行了分析。
2  实验部分
2.1  原料
  涂料成膜物：苯丙乳液；颜填料：三聚磷酸铝、铁红、碳酸钙，均为工业级；助剂：醇酯-12、丙二醇、PK-100、六偏磷酸钠、消泡剂、防沉剂、缓蚀剂等。
2.2 涂料配方
  水性无毒防锈涂料配方见表10
    表1  水性无毒防锈涂料配方
原料名称              质量分数/%
苯丙乳液(固含量45％)    35~45
三聚磷酸铝              6～16
氧化铁                  9～15
碳酸钙                  9～15
成膜助剂                2～4
分散剂                  2.8
缓蚀剂                 0.3～1
防沉剂                  0.3
2.3  制备工艺
    将颜填料、分散剂、成膜助剂、防沉剂与水混合搅拌均匀，在锥形研磨机内磨至细度<60μm，制得色浆，再加入苯丙乳液、成膜助剂、缓蚀剂、消泡剂等，其分散均匀即得产品。
3  结果与讨论
3.1  基料体系的选择
    近年来，一种较新的观点认为涂料与金属表面间的湿附着力对防腐蚀起着重要作用，因而应采用能较好阻止水界面作用的成膜物。一般来说，乳胶膜的吸水率愈高，其耐水性愈差。
    由表2可以看出，苯丙乳液成膜较好，吸水率最低，本体系选用了苯丙乳液作为成膜物。
    表2  不同乳液的耐水性
乳液晶种       干膜状态     吸水率/%
苯丙乳液     透明，有细纹     2.27
EVA乳液     半透明，有细纹    2.46
纯丙乳液    半透明，干裂      6.46
   注：耐水性测定：将乳液涂在干净的玻璃板上，厚2mm，自然干燥7d，放在水中浸泡24h取出，用滤纸揩干后称量。
3.2  颜料体系的选择
    常用的含铅、铬等重金属颜料具有优良的防锈性能但都有毒，因此其使用范围受到限制。采用三聚磷酸二氢铝-铁红-碳酸钙体系，其中氧化铁作为物理防锈颜料，可以提高漆膜的致密度，降低可渗性；CaCO3为体质填料，用以降低成本，改善漆膜功能；三聚磷酸铝作为主体防锈颜料，与传统防锈颜料相比，具有无毒、防锈性强、与树脂相容性好等特点。由表3 可以看出，用三聚磷酸铝代替锌铬黄，可以大大提高涂膜的耐盐水性，这是因为铬酸盐对腐蚀离子(女如Na+、C1-等)的侵入比磷酸盐更加敏感而造成的。三聚磷酸铝中的P3O105-具有很好的化学活性，能与铁离子进行络合，在阳极部位形成三聚磷酸铁保护膜。
    表3    锈颜料对涂膜耐蚀性的影响
防锈颜料     涂膜耐蚀性(3％NaCl-溶液浸泡)
三聚磷酸铝       30d后涂膜无变化
锌铬黄             12d涂膜起泡
在进行配方设计时，选用三聚磷酸铝的含量分别为颜料总重量的20％、30％、40％，以便通过考察防锈性能采确定主体防锈颜料的最佳用量。
3.3  颜料体积浓度对防锈性能的影响
    颜料体积浓度(PVC)对于防锈漆的效果起着重要作用。在临界体积浓度以下时，防锈性能随颜料体积浓度的增加而增加，超过临界值，其防锈性急剧下降。因此一般的实际应用均是低于临界颜料体积浓度(CPVC).随着各种颜填料的配比不同，其PVC和CPVC都有所改变，以下取PVC/CPVC的值分别为0.9、0.8和0.7，从中筛选最佳的PVC/CPVC配方。表4为9个试样在盐水(3％NaCl溶液浸泡)中的浸泡结果。
由表4可知，随着三聚磷酸铝含量和PVC/CPVC值的提高，涂膜耐盐水性呈增加的趋势，这是由于防锈颜料颗粒小，填充于涂膜中，并与树脂相互作用，增加了涂膜的湿附着力和抗渗性。当  PVC/CPVC为0.9，三聚磷酸铝含量为40％时，涂膜的耐盐水性最佳。
3.4  缓蚀剂对涂膜耐蚀性的影响
    乳胶涂料涂覆在金属表面，成膜初期易造成早期锈蚀，用于无锈金属表面时必须添加缓蚀剂。常用的NaNO2等缓蚀剂，虽可解决早期锈蚀，但由于其强水溶性而残留在漆膜中，极大地影响漆膜的耐盐水性。而且NaNO2属于阳极缓蚀剂，缓蚀效果与其用量有很大关系，若用量不足，还会促进锈蚀，所以常常与其他类型的缓蚀剂配合使用(如阴极缓蚀剂、吸附型缓蚀剂等)，以寻求协同效应。实验中选择了不同类型的缓蚀剂配制成复合型缓蚀剂Y，用量一般为0.3％～0.5％。表5是对配方中分别采用NaNO2和缓蚀剂Y对涂膜耐盐水性的
对比实验。
    表5  缓蚀剂对涂膜耐盐水性的影响
缓蚀剂            无         缓蚀剂X     缓蚀剂Y
成膜过程     试片出现锈点    试片无锈    试片无锈
浸渍3％盐水   30min起泡      4d起泡      30d起泡
3.5  成膜助剂的选择
    苯丙乳液在冬季低温下不能完整成膜，加入成膜助剂可以改善其成膜状况。选用醇酯-12作为成膜助剂，其在水中和油中的分配系数居中，亲水性强于纯烃类助剂，可使乳液成膜最为完全.经过测试，在同样条件下，向乳液A中加入2％(按乳液量计)的醇酯-12，可使胶膜吸水率降为1.85％，能明显提高涂膜的耐水性。
  一般情况下，乳液的最低成膜温度(MFFT)随成膜助剂的用量增加而减小，但成膜助剂用量对乳胶涂料的冻融稳定性有影响。表6是成膜助剂用量及加人防冻剂后对乳胶冻融稳定性的影响。
  表6  成膜助剂对冻融稳定性的影响(粘度/mPa•s)
    成膜助剂               初始           36h后
醇酯-12(2%)                85    200，有轻微的破乳现象
醇酯-12(4%)               120            成胶状
醇酯-12(2%)+丙二醇(4%)     80             90
醇酯-12(4%)+丙二醇(4%)    110      破乳，失去流动性
注：成膜助剂百分量以乳液量为基准；样品在-20℃贮存；用NDJ-79旋转粘度计测粘度。
  由表6可以看出，当成膜助剂用量为2％，丙二醇量为4％时，冻融稳定性良好。
3.6其它助剂的选择
  在水性涂料中，颜填料不易被水润湿，易产生聚集和絮凝，因此，分散剂的选择及其用量是制备高质量水性涂料的关键之一。比较了不同种类水性分散剂对颜填料体系的分散效果，结果见表70
    表7  分散剂的应用效果
      分散剂                  应用效果
    六偏磷酸钠             有一定的分散效果，
                               但在水体系中不稳定
     PK-100              分散效果好，但易产生
                              泡沫、缩孔等现象
六偏磷酸钠与PK-100按一定比例加入    对颜料分散可长期稳定
   由表7可见，六偏磷酸钠与PK-100配合使用，对本体系有较好的分散效果。另外，根据需要，加入的还有防沉剂、消泡、防腐剂等。它们的用量很少(<1％)，却能起平衡涂料性能的作用。助剂的选择有一定的配套相容性，若配合不，会出现负面效应，必须经过大量试验，以确定佳的助剂品种和配比。
4 技术性能指标
水性防锈涂料的技术性能指标见表8。
5  结语
    (1)对乳胶涂料中的基料、颜填料体系及各种助剂进行了选择；在涂料配方中，随着三聚磷酸铝含量和PVC/CPVC值的增加，涂层耐蚀性增强，当PVC/CPVC为0.9，三聚磷酸铝含量为40％时，涂层的耐蚀性最佳；
(2)三聚磷酸铝防锈乳胶涂料在综合性能上已达到或超过文献中研制的水性乳胶涂料性能，它是一种具有良好防腐性能和环保适应性的水性涂料，可为产品的继续改进以及工业化扩大生产提供有效的理论数据。