涂料工业：钢结构防护涂料水性化势在必行

涂料行业：

0 前言

随着钢结构在工业与民用建筑中的不断应用与发展，每年因钢结构腐蚀造成的经济损失相当可观，为了减少由此造成的损失，学者们进行了大量的试验研究，开发出了许多行之有效的方法，目前，油漆防护以其价格适中、施工方便、效果显著、适用性强等特点，得到了广泛的应用。传统的溶剂型涂料含有大量的挥发性有机物，它的大量使用会带来严重的环境危害，随着国家对环保的高度重视，各项环保政策相继出台，进一步限制了溶剂型涂料的使用，因此水性钢结构防护涂料也势在必行。水性涂料是一种分散介质，其生产施工安全，减少了爆炸和火灾的危险，施工设备可用水冲洗，每吨涂料可节省400kg有机溶剂，VOC值大大降低，水性醇酸树脂漆价格低廉，附着力好。 具有色泽好、光泽度高、保光性好、施工简便等优点，作为面漆不仅能满足钢结构的防护要求，还能提供优良的装饰效果。

1 实验部分

1.1 实验材料

水性醇酸树脂3AK0235Y(75%)、3AK0240B(75%)、3AK0211Y(72%)：同德化工；水性醇酸树脂A、B：市售；催干剂WD016：同德化工；BCS：市售；去离子水：自制；中和剂TEA、DMEA、AMP-95：市售；分散剂(Disper 760w)：Digo；消泡剂(Foamex810)：Digo；钛白粉(Ti-Pure R-902+)：杜邦；润湿剂(Twin 4100)：Digo；闪锈抑制剂(NALZIN FA 179)：Hemins；增稠剂(Borchi Gel 0620)：松尾剂。

1.2 实验设备

高速分散机：SFJ-04，上海现代环境工程技术有限公司；精密电子天平：ES2000，天津德安特；线材涂布机：100μm，上海现代环境工程技术有限公司；干燥试验机：GZQ，上海现代环境工程技术有限公司；摆锤硬度计：5861，德国BYK-Gartner；光泽度计：MG268-F2，KESGA；铅笔硬度计：BGD506，广州市标格达实验仪器及耗材有限公司；焦点格规测试仪：QFH-HG610，东莞市华国精密仪器有限公司；膜厚仪：QNix4500，德国尼克斯；氙灯老化箱：Q-SUN XE-3，美国Q-Lab。

1.3 水性醇酸面漆的制备

按照表1所示基础配方中的用量，先将树脂、中和剂中速搅拌，再加入催干剂、BCS分散5分钟，在低速搅拌下分次缓慢加入去离子水，再将分散剂、消泡剂、颜料加入树脂中，经高速砂磨至细度小于20μm，过滤后加入防锈剂、润湿剂，最后加入增稠剂调节粘度即得成品。涂装完成后静置消泡，即可进行检测。

表1 水性醇酸面漆基本配方

1.4 性能测试

1.4.1表干时间和实际干燥时间测试

取150mm×70mm马口铁板,用100μm线棒涂布器涂布涂膜,按照GB/T 1728-1979规定的方法,记录其表干时间和实际干燥时间。

1.4.2 附着力试验

取150mm×70mm马口铁,用100μm线棒涂布机涂布涂膜,按GB/T 9286-1998规定的方法测试附着力。

1.4.3 铅笔硬度试验

取150mm×70mm马口铁，用100μm线棒涂布器涂布涂膜，按GB/T 6739-2006规定的方法测试铅笔硬度，测试铅笔为中国铅笔。

1.4.4 K摆锤硬度增长试验

取60mm×100mm玻璃板，用100μm线棒涂抹器涂抹涂膜，用摆锤硬度计测试，记录K摆锤硬度增长数据。

1.4.5 漆膜耐水性试验

取150mm×70mm马口铁,用100μm线棒涂布机涂布涂膜,按照GB/T 1733-1993规定的方法试验耐水性。

1.4.6 漆膜光泽测试

取150mm×70mm马口铁,用100μm线棒涂布机涂布涂膜,按GB/T 9754-2007规定的方法测试光泽。

1.4.7漆膜氙灯老化试验

取150 mm×70 mm 的铝板，用100 μm 线棒涂布器涂布涂膜，按照ISO 11341 规定的方法试验耐候性。

2.结果与讨论

2.1 醇酸树脂的选择

钢结构常用于工厂、桥梁工程、公用设施等场所，由于钢结构工件体积大，喷涂施工场地条件受限，施工后需迅速运至室外仓储，并长期在室外使用，这就要求钢结构表面涂装的油漆应具有良好的干燥性能、耐候性、漆膜的耐水性。根据市场和用户要求，醇酸清漆、色漆及各类醇酸树脂涂料在施工后在常温空气中能自动氧化成膜，就是一般所说的气干型醇酸树脂涂料，是涂料行业中非常重要、应用范围很广的一种涂料，一般选用干性油、半干性油的中、长油醇酸树脂，用醇酸树脂制成可刷涂、喷涂或辊涂的涂料，涂层干燥迅速，光泽度、柔韧性、耐候性好。本次实验选用同德化工的三种中油醇酸树脂。 以3AK0235Y、3AK0240B、3AK0211Y及市售中油醇酸树脂A、B为成膜树脂，按照基础配方和制备工艺制成涂料，其对应的漆膜基本性能见表2，漆膜耐氙灯老化结果见图3。

表2 不同醇酸树脂漆膜基本性能

从表2可以看出，以3AK0235Y、3AK0240B、3AK0211Y、醇酸树脂B为成膜材料得到的漆膜在光泽度、耐水性方面的性能差异相对较小，醇酸树脂A的光泽度和耐水性略差。在干燥性能方面，3AK0235Y的表面干燥性能和实际干燥性能最好，其次是醇酸树脂B、3AK0240B、3AK0211Y、醇酸树脂A。从图3可以看出，3AK0235Y、3AK0240B、3AK0211Y、醇酸树脂B的保质期和耐光性能良好。 经1000h后氙灯试验失光率分别为10.48%、7.38%、10.41%、13.04%，且未出现粉化现象。醇酸树脂A的保光性能较差，经1000h后氙灯试验失光率为21.8%。从实验数据可以看出，在测试的5种树脂中，3AK0235Y的干燥性、耐水性、耐候性综合性能最好，利用其研制的快干高光高耐候面漆更加符合室外钢结构面漆的施工工艺和性能。以下实验均以3AK0235Y为成膜物质进行测试。

图1 氙灯老化条件下漆膜光泽变化曲线

2.2 干燥剂用量的选择

水性自干型醇酸漆遵循自氧化固化机理，添加催干剂可有效提高固化速度。国内外涂料技术界经过长​​期的开发和应用实践，已经认识到变价金属离子具有催干作用，也公认钴催干剂的催干活性居首位。它主要缩短了涂层自氧化干燥的诱导期，对涂层表面干燥有非常有效的促进作用，同时也促进了涂层的实际干燥。喷涂酸性钢结构涂料后，客户一般要求漆膜能快速干燥，以提高施工效率，保证性能。因此，笔者主要选用钴催干剂WD016进行试验，探讨不同催干剂用量对干燥等性能的影响。催干剂用量以树脂固含量百分率计算，以3AK0235Y为成膜物质，按基本配方及配制工艺制成涂料。 相应的漆膜性能如表3所示。漆膜的K摆锤硬度增长结果如图2所示。

表3 不同催干剂用量的漆膜基本性能

2.2.1催干剂用量对漆膜光泽的影响

从表3中我们可以看出，随着催干剂用量的增加，漆膜在60°角处的光泽变化并不十分明显，而20°角处的光泽则在不断的降低，这是因为风干型醇酸树脂暴露在大气中，在氧气的存在下，会更快的发生交联，而钴盐对自氧化反应来说是有效的催化剂，但是对于内层来说它却是较差的催干剂。这些因素都有利于表层先固化，形成表面皱纹。光泽度越高，漆膜干燥越快，当漆膜内层进一步固化时就会收缩，使已经固化的漆膜表面进一步产生皱纹，导致光泽度的降低。一般来说60°光泽度适用于所有的漆膜，而20°光泽度并不适用于所有的漆膜。 °角对于高光泽（60°镜面光泽高于70个单位）漆膜能给予较好的分辨力，因此对于3AK0235Y高光泽醇酸面漆的开发，为保证20°角时的光泽，WD016催干剂的用量应控制在1%~2%。

2.2.2 干燥剂用量对涂膜干燥和硬度增长的影响

从表3中我们可以看出，随着催干剂WD016用量的增加，漆膜表面干燥和实际干燥变快，铅笔硬度变高；从图2中我们可以看出，催干剂用量越大，硬度增加越快，且最终硬度值越高，成品率越高。这是因为水性自干型醇酸涂料遵循自氧化固化机理，涂膜在空气中铺展，诱导期内克服吸氧氧化，依靠钴催干剂加速，克服诱导期，进入引发阶段和链增长阶段，此阶段对应涂层表面干燥，最后自由基继续增长终止，醇酸树脂分子交联，涂层达到充分干燥。因此，钴催干剂用量越大，漆膜交联越快，干燥性越好。 越好，硬度越高，但催干剂用量过多，油漆在贮存过程中会出现结皮现象，用量越大，结皮现象越严重，综上所述，为满足醇酸钢结构面漆的快速发展，提高干燥能力，保证油漆的贮存稳定性，WD016催干剂用量应控制在1%以内。

图2 不同催干剂用量硬度增长曲线

2.3 中和剂的选择

中和剂主要是与醇酸树脂中的游离羧基反应生成盐基，使树脂溶于共溶剂中再分散于水中，用水稀释，不同的中和剂对涂料的性能会有一定的影响。以3AK0235Y为成膜物质，探讨TEA、DMEA、AMP-95三种中和剂对树脂性能的影响，中和度按100%计算。按基本配方和制备工艺制成涂料，并进行性能测试。

2.3.1中和剂对树脂水稀释曲线的影响

未中和的水稀释性醇酸树脂的酸值一般在30左右。（酸值是用滴定法测定的，是指中和1g固体树脂所需KOH的mg数。）配制涂料时，首先第一步要加入按树脂酸值计算出的理论量的胺，然后用水稀释。稀释过程中其粘度随浓度变化的曲线称为稀释曲线。稀释曲线峰的高度取决于具体的树脂和配方。中和剂对稀释曲线峰的高度有一定的影响。

图3 不同中和剂的稀释曲线

3AK0235Y的酸值为28mgKOH/g，添加了TEA、DMEA、AMP-95三种中和剂，从图3中可以看出，当使用AMP-95作为中和剂时，其稀释曲线峰最高，粘度接近原树脂的4倍，峰面积很宽，会造成生产过程中降粘慢，搅拌困难，制备出的涂料固含量很低。当使用DMEA作为中和剂时，其稀释曲线峰值不高，粘度是原树脂的2倍，但是其峰面积很宽，也会造成生产过程中降粘慢的问题，制备出的涂料固含量也会很低。 采用TEA作为中和剂时，其稀释曲线峰比DMEA略高，粘度是原树脂的2.4倍，但其峰面积很窄，生产过程中粘度下降很快，搅拌比较容易，中和剂的得分比较高。因此，从制备涂料的难易程度和所得涂料的固含量来看，中和剂的选择顺序为TEA>DMEA>AMP-95。

2.3.2中和剂对漆膜干燥和耐水性的影响

不同的中和剂也会影响漆膜的干燥性能和耐水性。以3AK0235Y为成膜物质，添加TEA、DMEA、AMP-95三种中和剂的性能对比结果见表4。醇酸树脂经胺类中和剂中和后，制备成涂料，涂刷后形成不溶于水的漆膜。残留的中和剂胺会影响干燥和耐水性，残留的胺虽然会跑掉，但是沸点低，沸点低的胺比沸点高的胺残留会少，TEA、DMEA、AMP-95三种中和剂的沸点分别为90℃、134℃、165℃，结果显示沸点低的TEA中和剂的干燥性能最好，而对耐水性的影响最小。

表4 不同中和剂涂膜基本性能

同时，不同的中和胺也会影响漆膜硬度，以3AK0235Y为成膜物质，添加TEA、DMEA、AMP-95三种中和胺的硬度增长对比结果如图4所示。以TEA为中和剂的漆膜硬度增长最快，最终硬度最高，DMEA中和剂次之，AMP-95中和剂最差。综上所述，为满足水性醇酸钢结构面漆的生产要求，操作简便，干燥速度快，具备户外耐水性，应选择TEA作为胺类中和剂。

图4 不同中和剂的硬度增长曲线

2.4. 漆膜性能测试

选取3AK0235Y为成膜树脂，WD016为催干剂，添加量为树脂固含量的1%，TEA为胺类中和剂，按100%中和度添加，颜料为高遮盖力钛白粉，助剂均为通用型产品。按照基础配方和制备工艺制成涂料。制备的水性醇酸面漆性能测试结果见表5。试验结果表明，本次实验研制的面漆可以提高市场上同类产品的性能，通过提高施工效率、延长产品使用寿命等措施，可以有效改善面漆干燥慢、耐候性差的问题。

表5 水性醇酸面漆涂膜性能测试结果

3. 结论

通过对五种不同类型的水性醇酸树脂进行比较，选择催干剂的用量和胺类中和剂的种类，制备出一种干燥速度快、耐候性强、光泽度高的水性醇酸面漆。普通钢结构材料满足其装饰性和防护性要求，能适应目前钢结构涂装施工流水线快速喷涂和运输工艺，在当前环保政策和市场环境下，具有良好的应用前景。醇酸面漆引起的储存结皮、漆膜雾化等问题仍需进一步研究和解决。

作者

李文勇、尹海军（广东同德新材料股份有限公司）