水性单组分低表面处理底漆的制备与性能分析

魏志龙，张乐显，魏浩然，刘改利

(洛阳双瑞防腐工程技术有限公司，河南洛阳　471023)

0　前　言

近年来，国内外大量海上钻油平台、电厂、已建桥梁及体育场馆设施等钢结构进入了维修期，需要对旧有涂层进行重新涂装。而在这些已建钢结构的基础上进行喷砂前处理的难度非常大，涉及环境保护、施工难度和工程维修造价等方面。低表面处理涂料(Surface-tolerant Coating)主要针对在不可能完全达到喷砂级Sa2.5(ISO 8501—1:1988)情况下，可以涂覆在手工或动力工具打磨到St2和St3级别的表面、旧涂层表面或高压水喷射除锈表面的涂料产品[3]。该类型涂料具有：良好的渗透性和基材附着力；在旧涂层上不会产生相容性问题；具有一定的缓蚀性能；优异的室外施工性等特点。

水性低表面处理防腐涂料具有环境友好、低VOC含量等优势，国内外相继推出多种双组分水性低表面处理涂料产品，如RF-GSO5系列水性防锈涂料和美国APP水性防锈底漆。但此类产品多选用弱碱性乳液树脂作为成膜物，在添加酸性锈转化剂或活性颜料时大多会发生破乳现象，对基材表面锈蚀的作用不充分，不能实现真正意义上的低表面处理涂装。
本研究选取酸性乳液树脂，并从颜填料体积浓度、助剂等方面考虑，筛选出性价比适宜的涂料配方体系，并对配方中各成分的含量对涂膜性能的影响进行了分析和讨论。研制出了一款水性低表面处理底漆，兼具底漆和面漆两种功能，可减少施工次数、降低施工成本，具有优异的防腐性能。

1　实验部分

1.1　主要原料和仪器

树脂：水性防腐乳液Haloflex 202；助剂：成膜助剂、流变助剂、润湿分散剂、消泡剂、防闪锈剂、锈转化剂；25%氨水；颜填料：氧化铁黑、炭黑、滑石粉、云母粉、磷酸锌、改性三聚磷酸铝；三级水。

GFJ-30高速分散机，江阴晨铭机械；QZM-1锥体磨，天津微电机；QFH/1 mm涂膜划格器、QCJ涂膜冲击器、QTY-10A涂膜柔韧性实验仪，天津材料试验机厂；拉开法附着力测定仪，美国狄夫斯高；YWX/Q-150盐雾腐蚀试验箱，无锡苏南实验设备；QUV紫外老化试验箱(UV-B 313 nm)，美国Q-LAB公司。

1.2　涂料的制备

1.2.1　黑色浆的制备

将水、润湿分散剂、消泡剂等搅拌均匀后，加入氧化铁黑、炭黑等颜填料，充分搅拌均后，研磨至细度≤25 μm。黑色浆配方见表1。
黑色浆的配方

1.2.2　水性单组分低表面处理底漆的制备

将水性防腐乳液Haloflex202加入调漆釜中，调节pH值达3～4时，在搅拌状态下，依次加入黑色浆、流平剂、防闪锈剂、锈转化剂，充分搅拌后加入流变助剂、三级水，制得水性单组分低表面处理底漆，其配方见表2。
水性单组分低表面处理底漆的配方

1.3　涂料的性能检测

参照化工行业标准HG/T 4564—2013《低表面处理容忍性环氧涂料》及目标市场客户需求，制定相应的技术指标，并检测涂料和涂层的各项性能，其结果如表3所示。

2　结果与讨论

2.1　水性乳液的选择

影响水性低表面处理底漆性能的最大因素是涂料膜的致密性，而致密性的主要影响因素就是成膜物。

Haloflex 202是水性乙烯基丙烯酸共聚物，该聚合物对水、二氧化碳和氧气有良好的隔绝作用，透过率超低。其乳液的主要参数：外观：乳白色乳液；固含量：60%±1%；pH值：1.0～2.0；密度：1.27～1.31 g/cm3；最低成膜温度：12 ℃。实验过程中筛选了国内另外两家公司生产的水性环氧单组分乳液WX5600与改性水性丙烯酸单组分乳液SK6480进行性能对比，结果见表4。

由表4可见：Haloflex 202乳液配制的底漆的附着力、耐水性和耐盐雾性大大优于其他两种水性防腐乳液产品。

2.2　颜填料体积浓度对涂膜性能的影响

颜填料体积浓度(PVC)对于水性低表面处理底漆的性能起着重要作用。表5列出了水性低表面处理底漆在不同PVC下的耐盐雾等性能情况。
水性单组分低表面处理底漆PVC对涂料性能的影响

由表5可见，随着PVC含量的提高，涂膜划格附着力呈下降趋势，涂膜耐盐雾性呈先上升后下降趋势，涂膜流平性也逐渐变差。这是由于起始时，颜填料少，对应的防锈颜料也过少，树脂含量相对较高，防锈颜料不足以填实树脂的空隙，影响了涂膜的致密性，导致耐盐雾性能不佳，但是附着力、流平性等性能优异；随着颜填料的增加，树脂的空隙被逐渐填实，提高了涂膜的致密性，导致耐盐雾性能迅速提高；随着颜填料的进一步增加，树脂对颜填料的包覆作用逐渐变得不充分，反而影响涂膜的致密性，从而影响涂膜的划格附着力、耐盐雾性能及流平性等性能。由表5可知，当PVC值在24.1%左右，涂膜的各项性能，特别是耐盐雾性最佳。

2.3　防锈助剂对涂膜附着力的影响

涂层与基材表面的附着力是其防护性能的基础，选用表面处理等级为St2锈蚀碳钢基材，对比考察防闪锈剂、锈转化剂的含量在固定颜料体积浓度(24.1%)条件下对涂层附着力的影响规律。
不同防锈助剂含量的涂层的附着力

由图1中数据可以看出，4%防闪锈剂的添加量使涂层在St2锈蚀碳钢基材附着力达到6 MPa以上。这是由于该防闪锈剂具有一定的缓蚀作用，能够有效抑制底漆中的水分与碳钢基体的反应，防止了闪锈，提高了附着力。但是，该防闪蚀剂也会与乳液的活性基团发生反应，用量过大会影响乳液与基材的结合，引起附着力的下降。

锈转化剂用量对涂层附着力的影响呈单峰型。当锈转化剂用量为1%和2%时，涂层与基材表面锈蚀作用不充分，涂层附着力差；当用量为3%及4%时，基材表面锈蚀被转化为涂层的有机组成部分，附着力大幅上升，已达6.5 MPa；用量为5%时，附着力又开始下降，由于此时锈转化剂过量，对基材产生不利影响。适宜的锈转化剂质量分数在3%～4%。

2.4　润湿分散剂对底漆贮存稳定性的影响

水性黑漆贮存一段时间，会出现返粗变稠的现象，其主要原因是由于炭黑的表面积非常大，具有极强的吸附膨胀特性。加入适宜的润湿分散剂有助于炭黑的润湿分散，并选用适当的助溶剂进行预浸，可以使炭黑的吸附润胀达到饱和状态，然后再与基料一起混合研磨，这种方法制得的黑漆基本不返粗。其结果如表6所示。