轻金属基材用环氧底漆的设计和性能研究

0 前 言 随着新技术的飞速发展,越来越多具有优异防锈性能的金属材料在工业领域开始被广泛使用。这其中,以铝合金为代表的轻金属,由于其出色的可加工性能和优异的抗腐蚀性,已广泛应用于建…

0 前 言
随着新技术的飞速发展,越来越多具有优异防锈性能的金属材料在工业领域开始被广泛使用。这其中,以铝合金为代表的轻金属,由于其出色的可加工性能和优异的抗腐蚀性,已广泛应用于建筑、航天、电子产品等多个领域,其产量和用途已成为仅次于钢的第二大金属材料。
由于轻金属基材暴露在空气中,能够形成致密的惰性氧化膜以保护材料不被腐蚀,因此,在大多数环境下,不需要对轻金属基材进行涂装。但是,为了提高材料的装饰性以及在特定的环境中提高耐久性,经常会需要对轻金属进行涂装。
环氧涂料由于本身具有的良好的附着力,优异的防腐性能和品种的多样性,成为重防腐涂料的首选品种。但由于轻金属是一种特殊的合金材料,其本身的熔融表面张力为900×10-5 N/cm,远低于普通碳钢(1 835×10-5 N/cm),属于难以附着的金属,常规的环氧底漆在其表面的浸润性不好,直接涂装在轻金属表面极易产生脱落的现象。因此必须采用独特的表面处理工艺(如铬酸盐转化、酸洗磷化等),或者选择附着力更为优良的涂层体系,以此增强涂层与轻金属基材的附着力。
本文介绍了一种对轻金属基材有着极佳附着力的环氧底漆设计思路,并对添加防锈颜料和多羟基树脂两种增加基材附着力的方式进行了试验对比,该产品同样适用于热浸镀锌和不锈钢底材使用。

1 试验部分
1.1 试验原料(见表1)
试验原料及规格
1.2 主要试验仪器(见表2)
试验仪器与设备
1.3 配方设计
配方基本组成见表3。
配方设计
1.4 涂膜性能测试
1.4.1 试验样板及涂装方法
试验中使用的马口铁板、喷砂钢板、软钢板、铝合金板、不锈钢板等样板均符合GB/T 9271—2008《色漆和清漆标准试板》。
施工方式:空气喷涂。
1.4.2 试验样板制备
试验板制备依照GB/T 1727—1992《漆膜一般制备法》。
单膜制备流程:脱脂→清洁→喷涂底漆→养护。
配套涂层制备流程:脱脂→清洁→喷涂底漆→喷涂面漆→养护。
底漆与面漆的涂装间隔为24 h,养护期均为7 d,配套涂层面漆为中远关西常规氟碳面漆产品。
底漆膜厚:(40±10) μm;面漆膜厚:(35±10) μm。
1.4.3 常规性能测试
本试验对特制环氧底漆进行了全项性能测试,并与常规环氧涂料进行了对比,其主要性能指标见表4。
特制底漆性能
试验数据表明:特制底漆与常规环氧涂料性能指标接近,同样具有优异的常规物理性能,在与铝合金的附着力测试中可知:配方1与配方2均较常规环氧涂料有着更为良好的附着力,而配方1的附着力则更为优秀,能够满足设计要求。
1.4.4 化学性能
为综合考察涂膜化学性能,将单涂层与配套复合涂层分别进行测试。
1.4.4.1 单膜化学性能试验
单涂层化学性能测试见表5。
 特制环氧底漆化学性能
由表5可知:配方2中由于添加了磷酸锌类防锈颜料,其耐盐雾等化学性能较配方1与常规环氧涂料稍有优势。
1.4.4.2 配套涂层的耐化学性能
复合涂层化学性能测试见表6。
特制环氧底漆配套化学性能
试验数据表明:3个配方在复合涂层性能测试中表现基本接近,其中配方2在耐盐雾性能上表现更加优异。
2 结果与讨论
2.1 环氧树脂选择
环氧涂料与普通碳钢基材有着良好的附着力,这是因为环氧树脂分子结构中含有大量的羟基基团,环氧涂膜固化后,这些具有强极性的羟基基团与基材表面的金属原子反应形成化学键,从而使涂层和基材具有了良好的附着力。
低分子量的双酚A环氧树脂(如E51),其分子结构中的羟基含量少,对于金属基材的附着力较差,而中分子量环氧树脂(一般型号为E20),分子中羟基含量较高,与金属基材的附着力较低分子量环氧树脂更好,且该型号的环氧树脂具有良好的防腐性能、干燥性能和机械性能、因此广泛用于工业重防腐领域。因此,本试验选用E20中分子量环氧树脂作为配方主体树脂。
2.2 固化剂的选择
由于能够与环氧树脂在常温下发生交联反应且具有良好的防腐蚀性能,因此胺类固化剂是环氧涂料中最为主要的固化剂。常用的胺类固化剂主要有多元胺、聚酰胺以及胺加成物等几类,这其中,聚酰胺固化剂具有防腐性能优异,施工性能好等特点,广泛使用于重防腐涂料领域。但聚酰胺产品黏度普遍偏高,且固化速度稍慢,固化物耐化学性能稍差,因此近年来,通常会采用诸如环氧树脂等对聚酰胺固化剂进行加成改性以改善其缺点。
本试验中,即选用了空气化工的聚酰胺加成物作为固化剂使用。
2.3 附着力促进剂的选择
普通环氧涂料对于轻金属基材难以附着的原因有两方面:一方面,由于轻金属基材分子活性较普通碳钢要高,另一方面,轻金属表面会在空气中形成一层致密的钝化膜,这层钝化膜的表面张力较轻金属本身还要低(585×10-5 N/cm),这就使得常规的环氧涂料很难对其具有良好的附着力。
配方1中,试验选择了一种分子结构中含有更多羟基的环氧树脂作为附着力促进剂使用,该树脂能够与聚酰胺固化剂反应交联成膜,同时体系内大量的羟基基团存在也有利于提高涂膜与基材的附着力。
配方2中,试验选择了特殊磷酸锌类防锈颜料,该原料能够与基材表面的金属原子发生络合反应,形成结构复杂且致密的磷化膜,因此较普通磷酸锌有着更佳的附着力促进作用,在提升涂膜与基材附着力的同时有效地提高了防腐蚀性能。
上述两种方法是目前较为常用的提高涂层对轻金属基材的配方设计思路,本试验中对这两种配方进行了试验对比。
2.4 配方参数的确定
本试验中的特制环氧底漆配方参数设计与常规产品并无不同,但在对涂料需征收消费税的大环境下,对于配方设计也应注意,应尽量使配方中的VOC符合<420 g/L的免征要求。在此前提下,对配方参数,主要是颜基比和PVC两项参数进行了试验。在确认选择采用多羟基环氧树脂作为附着力促进剂使用的设计思路后,试验对比了颜基比=1.4~1.6,PVC=35%~40%的配方设计(见表7),最终确定了配方参数,试验结果见表8。
基本配方参数对比试验配方
基本配方参数对比试验结果
以上配方确定均当量比为1.0。试验结果对比可发现:PVC为35%时,涂膜的物理性能能够符合设计要求,但耐盐水、盐雾性能、耐酸碱性均有不同程度下降;PVC为40%时,涂膜的化学性能可达到设计要求,但柔韧性和耐冲击性均有下降;PVC为35%,颜基比为1.6时,涂膜各项性能达到最佳。
综合以上试验数据即可确定本配方参数为:PVC=35%、颜基比=1.6。

3 结 语
采用中分子量环氧树脂E20,配合使用聚酰胺加成物固化剂作为主体树脂,同时选择具有多羟基结构的环氧树脂作为附着力促进剂,并对配方参数进行试验优选,可以有效提高产品对铝合金等轻金属,以及不锈钢、热浸镀锌这类传统的不易涂装基材的附着力。
特制环氧底漆配方在提高了对轻金属基材的附着力的纤体下,仍保持了良好的物理、化学性能,同时配方具有低VOC高固体分、符合免征涂料消费税的特点,在重防腐领域具有良好的应用前景。

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