低表面处理要求防锈涂料的开发与应用

低表面处理要求防锈涂料的开发与应用
杨亚菊1,李明春1,唐林斌2,王书传2(1.华侨大学材料科学与工程学院,福建厦门 361021;2. 信和新材料股份有限公司,福建泉州 362011)

0 前 言
国内每年因钢铁生锈腐蚀造成的钢铁损失占钢铁总产量的20%以上,并且因为钢铁生锈,易缩短钢构器件的使用寿命。为避免这种情况的发生,常需要对钢构件进行维护并进行二次涂装。涂料涂装前,需要对钢铁表面进行前处理,即通过打磨喷砂等方法除去钢铁表面的锈蚀以及旧涂层。但是在实际的涂装施工中,有很多情况下无法对钢材进行完全彻底的喷砂处理,除了钢结构本身的特别情况外,还有日益严格的环保法规和卫生安全条例等。比如桥梁的维修涂装,如果进行喷砂就会影响公众环境、污染水源等。低表面环氧涂料可以在低处理等级如除锈等级低于Sa2.5或潮湿的表面直接涂刷,这种涂料与传统涂料相比较,简化了涂装之前的表面处理工序,使涂装成本、环境污染和对施工人员的人身伤害有很大程度的降低。
低表面处理要求涂料是随着现代工业大型化和结构复杂化的发展,为满足对涂装工艺所提出的一些实际需要而发展起来的。其是一种可直接涂刷在存在除锈等级为Sa1级钢铁表面的重防腐涂料,它能使残锈稳定钝化或转化,从而将活泼的锈蚀产物转化为稳定无害的物质,并成为涂膜的一部分。本实验旨在开发一款低表面处理要求的环氧涂料,并对配方当中各成分的影响做深入分析和讨论。
 
1 实验部分
1.1 原材料
醇酸树脂R101,三木化工;丙烯酸树脂R416,长兴化工;异氰酸酯树脂R410,BAYER;环氧树脂E-20、环氧树脂E-44、环氧树脂E-51,三木化工;聚酰胺固化剂R250,迈图;酚醛胺固化剂R414,卡德莱;脂肪胺加成物R410,科宁;1#基材润湿剂H348、2#基材润湿剂H611,BYK;3#基材润湿剂H633,迪高;1#硅烷偶联剂H550、2#硅烷偶联剂H560,道康宁;丁腈橡胶,迈图;氧化铁红,华源;普通磷酸锌、改性磷酸锌、微球形磷酸锌,新盛化工;三聚磷酸铝,河北亿阳;铝银浆,族兴;硅灰石粉,上海夏因;氧化钙,淄博鑫亚;聚酰胺蜡、聚乙烯蜡,海名斯;二甲苯、异丙醇、乙醇,均为市售品。
1.2 主要设备(见表1)
实验仪器

1.3 涂料及涂层制备过程
按设计配方准确称量各组分,先加入环氧树脂和润湿剂,充分混合搅拌均匀。然后在低速搅拌条件下加入颜填料,高速搅拌15~20 min。冷却至60 ℃以下,中低速搅拌加入蜡浆和偶联剂、铝银浆、溶剂,中低速混合搅拌20 min,期间注意控温60 ℃以下,检测合格后180目过滤包装。
制备好的涂料以稀释剂调节到喷涂黏度,即可在马口铁板上进行空气喷涂。喷涂完成后,常温条件下干燥7 d即可进行测试。
1.4 性能测试方法
低表面处理要求的环氧涂料测试方法参照行业标准HG/T 4564—2013,如表2所示。
预测性能指标

2 结果与讨论
2.1 树脂类型的选择
实验分别对环氧树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂在钢铁表面的附着力和耐盐雾性能做对比,以确定树脂种类对涂膜性能的影响。实验方案和结果如表3、表4所示。
树脂种类性能对比实验方案
树脂种类性能对比实验结果

从实验结果来看,环氧树脂在钢材的保护能力方面要明显优于醇酸树脂和丙烯酸树脂体系。因此树脂的主体类型应该选择环氧树脂,但环氧树脂的分子量大小,对涂膜的各项性能也有影响,因此应该对不同分子量的环氧树脂做进一步的筛选。
2.2 不同分子量环氧树脂的选择
实验以同样的锈蚀钢板作为基材,表面涂刷表5配方所示的涂料后自干7 d。铲掉大块锈蚀,观察板面的涂料渗透情况,和锈蚀背面的渗透情况,以10分为满分进行综合打分。附着力则以同样的锈蚀等级为D级的冷轧钢板,表面经过简单除锈后达到除锈等级为Sa1级,涂刷配方涂料,自干7 d后以划格法(1 mm间距)测试附着力。
不同环氧树脂性能对比方案

实验以聚酰胺树脂R250作为固化剂使用,以m(环氧当量)∶m(活泼氢当量)=1∶1进行配比,喷涂于带锈钢材表面,进行渗透能力和附着力的性能测试。实验结果如表6。
 不同环氧树脂性能对比结果

从表6实验结果来看,实验1所选用的环氧树脂为E-51,在渗透性和附着力方面,相对较好。
2.3 固化剂的选择
确定了环氧树脂的类型后,以E-51作为主体树脂,搭配不同种类的固化剂进行性能实验。实验方案和结果分别如表7和表8所示。
固化剂种类对比实验方案
不同固化剂盐雾性能实验结果

实验结果表明聚酰胺固化剂柔韧性好,对锈斑润湿渗透力好。应用于低处理表面,附着力好,耐盐雾性优。
2.4 基材润湿剂的选择
助剂方面主要考虑增强体系的渗透能力和附着能力,因为从环氧树脂的筛选实验来看,虽然E-51的综合性能较好,但是通过配方的调整,其渗透能力可以进一步提高。基材润湿剂的加入,理论上可以极大降低树脂体系的表面张力,从而达到快速铺展和渗透的目的。从这个方面着手,挑选了3种不同的基材润湿剂H348、H611、H633进行实验,实验方法与环氧树脂的筛选实验相同,渗透能力以10分为满分进行综合评定。实验方案如表9所示。
基材润湿剂对比实验方案
实验结果如表10所示。
基材润湿剂对比实验结果

从实验结果来看,添加了基材润湿剂之后,在混溶性良好的前提下,渗透性明显提高。其中H611的渗透能力最好,添加量为0.2%~2%,下面将针对该润湿剂,在添加量方面做细化实验,以达到最佳的配方比例。
实验方案如表11所示。
 润湿剂添加量对比实验方案
最终结果如图1所示。
润湿剂添加量对比实验结果

从实验结果来看,随着H611添加量的提高,渗透性逐步提高,在添加量1.3%左右达到上限,并且继续增加添加量,渗透性无明显差别,因此H611的最佳添加量为1.3%。
2.5 附着力促进剂的选择
配方在Sa1级的钢材表面附着力略差,这方面可以通过几种手段来解决。第一,可降低体系的交联密度,从而使得体系刚性降低,从而减小固化过程当中的体积收缩和应力损失;第二,可以添加附着力促进剂,比如硅烷偶联剂或丁腈橡胶等。计划从两个方面分别进行实验,以确定最佳方案。实验方案如表12所示。
附着力促进剂类型对比实验方案
附着力对比结果如表13所示。
附着力促进剂类型对比实验结果

从实验结果分析,硅烷偶联剂和丁腈橡胶的加入,对附着力的提升有很大的帮助,同时适当降低体系的交联密度,也对附着力的提升有帮助。但是,丁腈橡胶的价格昂贵,在同样可以达到目的前提下,显然其不符合工业生产的成本要求;而降低交联密度虽然对附着力的提升有效,但是同时也由于降低了涂膜的致密度,会导致涂膜耐受性降低,从而对耐盐雾性能起到反效果。
所以综合考虑,添加硅烷偶联剂就成为了本实验的比较经济适用的方案。接下来,将对硅烷偶联剂的添加量做进一步的实验。
实验方案如表14所示。
附着力促进剂添加量对比实验方案
结果如图2所示。
附着力促进剂添加量对比实验结果

显然,当添加量超过0.7%(质量分数),对附着力的增强就可以达到要求,因此,最终的添加量确定为0.7%(质量分数)。
2.6 最终配方验证
最终确定的成品配方如表15所示。
最终体系成品配方

根据指标要求,进行全面的性能测试,结果如表16所示。该配方满足HG/T 4564—2013标准设计要求。
配方性能指标及实验结果
3 结 语
综上所述,可以得到结论如下:
(1)环氧树脂在钢材的保护能力方面要明显优于醇酸树脂和丙烯酸树脂体系。
(2)聚酰胺固化剂柔韧性好,对锈斑润湿渗透力好。应用于低处理表面,附着力好,耐盐雾性优。
(3)添加了基材润湿剂之后,在混溶性良好的前提下,渗透性明显提高。
(4)硅烷偶联剂和丁腈橡胶的加入,对附着力的提升有很大的帮助,同时适当降低体系的交联密度,也对附着力的提升有帮助。