体育报刊:烘烤型水性底面合一涂料中防锈颜料的选择

庄振宇 胡中 祝宝英 张汉青 朱柯

（中海油常州涂料化工研究院，213016）

    摘要：以具有内交联结构的丙烯酸氨基树脂为基本成膜物，以环保型防锈颜料为主，配以极少量的铬系颜料，研制成一种水性涂料。该涂料具有优异的防腐性、耐候性、保光性和保色性，且具有底面合一的功效。

    关键词：底面合一涂料；防锈颜料；水性涂料

    0引言

    水性涂料以其无毒、无异味、不燃和易清洗等优点，已经成为传统溶剂型涂料的主要替代品。目前，金属零部件，如灯具、玩具、摩托车车架、压缩 机、汽车底盘等为了达到耐腐蚀、耐老化和良好的装饰效果等性能，一般要进行底漆和面漆两步喷涂，其施工繁琐、生产成本较高。阴极电泳涂料和水性环氧-胺固 化体系等以环氧树脂（多为双酚A环 氧树脂）为主要成膜物，具有较高的附着力和优异的防腐性能，但环氧树脂的户外耐候性较差、易粉化、失光，涂膜丰满度不高，不宜作为高质量的户外用漆和高装 饰用漆，常用作底漆。水性丙烯酸酯树脂以其优异的耐候性和保光、保色性，在各种涂料中得到了广泛的应用，能起到很好的装饰性能，但其防腐性能稍差，常用作 面漆。因此，具有优异防腐性能和装饰性能的底面合一涂料具有非常好的应用前景。众所周知，底面合一涂料要求涂料具有优异的防腐蚀性能，因此对防锈颜料的要 求较高。传统的防锈颜料多含铬、铅等元素，如红丹、铅粉、锌等的铬酸盐，虽然防腐性能优异，但污染环境、危害健康。近年来，欧盟相继加大了对电气产品中有 害物质的限制，对铅、汞、镉、六价铬金属元素的限量越来越苛刻。因此，选择符合RoHS指令（电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令）的环保无毒防锈 颜料用于水性底面合一涂料成为当务之急。本文研制了一种烘烤型水性底面合一涂料，以具有内交联结构的丙烯酸氨基树脂为基本成膜物，配以环保型复合防锈颜 料。该涂料具有优异的防腐性能（耐盐雾可达240h）、耐候性和保光、保色性，且具有底面合一的功效，可采用浸涂、喷涂和辊涂等方法施工，具有不易燃、不 易爆、低毒、低污染、低成本和施工方便等优点。

    1实验部分

    1.1原料

    防锈颜料：磷酸锌（ZP-10）、磷钼酸锌（ZPM）、磷酸锌铝（ZPA）、离子交换型防锈颜料（AC3、C303），Grace公司；磷 硅酸锶（SW-111）、磷硅酸锶和磷硅酸锌的混合物（SZP-391），美国HALOX颜料公司；三聚磷酸铝（APW-Ⅱ），广西新晶科技有限公司；含 铬颜料；铁钛粉，万达科技公司。水性丙烯酸树脂：自制；氨基树脂：氰特化学；流平剂、消泡剂：BYK公司；******钡：德国莎哈利本（萨其宾）；超细滑石粉：桂林龙胜日升超细滑石粉有限公司；炭黑：德固赛公司。

    1.2仪器设备

    精密增力电动搅拌仪；电子天平；电热鼓风干燥箱；盐雾箱；光泽仪WGG60；附着力仪；测厚仪。

    1.3涂料制备

    按表1所示的涂料配方加 入水性丙烯酸树脂和中和剂混合均匀，用高速分散机搅拌10min；加入去离子水和消泡剂，搅拌分散均匀，然后加入防锈颜料和其他颜填料，高速搅拌均匀；将 上述浆料通过砂磨机研磨至细度达15μm以下，加入固化剂和流平剂，低速搅拌均匀，用去离子水调节黏度，200目滤网过滤。

    表1涂料基本配方

    1.4试板的制备

    （1）底材：3mm厚冷轧碳钢板，规格120mm×60mm，表面经除油、机械打磨；

    （2）制板：将涂料喷涂于钢板上，表干20min后置于烘箱中，于（140±2）℃恒温下烘烤0.5h，涂膜厚度约18μm，四周用胶带封边；

    （3）盐雾试验：在样板中间划宽0.05mm，长50mm的交叉线两条，置于盐雾箱。按GB/T1771—1991盐雾试验标准，采用5%NaCl中性溶液。判断标准：图1、图2以划线双边扩蚀3mm，图3、表2以划线双边扩蚀2mm。
  2结果与讨论

    2.1防锈颜料的作用机理

    按其作用机理，防锈颜料可分为物理防锈颜料和化学防锈颜料，以及兼具物理和化学机理的综合型防锈颜料。物理防锈颜料本身化学性质稳定，常用 的无毒防锈颜料有氧化铁红、云母氧化铁、云母粉、玻璃鳞片、铝粉等。化学防锈颜料基于其本身的化学活性，在金属腐蚀过程中，与金属表面的金属离子反应生成 一层致密的钝化膜来抑制腐蚀过程，或依据电化学原理，通过牺牲阳极来达到保护金属的目的。化学防锈颜料还可以与某些漆料中的成分进行化学反应，生成性能稳 定、耐水性好的化合物。常用的此类防锈颜料有：磷酸盐系、改性磷酸盐系、离子交换型颜料等。综合型防锈颜料兼具物理防锈和化学防锈机理，常用的综合型无毒 防锈颜料有：片状锌粉、片状锌铝合金、复合铁钛粉等。本文主要采用化学防锈颜料及综合型防锈颜料铁钛粉进行实验。含铬颜料具有很好的防腐蚀性能，在水分通 过其涂膜时会溶出铬酸根离子，其强氧化作用，使金属表面生成钝化膜，难以被Cl-穿透破坏，因而，其防腐效果好，附着力丧失少。离子交换型颜料（如 Grace公司生产的AC3、C303属钙离子交换的二氧化硅），其防腐蚀作用是通过含该防锈颜料的腐蚀性离子与颜料的钙离子交换，释放出的钙在涂层与金属界面沉积屏蔽，其反应过程如下：

    磷酸盐系作为含铅、铬颜料的替代品之一，广泛用于涂料中作为化学防锈颜料，是目前用量最大、应用最广的无毒防锈颜料。磷酸盐系防锈颜料的作用机理复杂，正磷酸锌的主要防锈机理为：

    该类防锈颜料能与涂料中的羟基、羧基等进行化学结合，也能在金属表面生成Fe［Zn3（PO4）］，形成颜料-漆料-底材的高分子络合物， 阻止锈的形成和扩蚀。磷酸锌防锈颜料在水性涂料中的防腐蚀性能一般，而将单一金属的磷酸盐改为几种金属的混合磷酸盐，则其防腐蚀效果大为提高。磷酸锌的改 性方式有：有机改性、钼酸锌改性、磷酸铁改性、磷酸铝改性、钙锶铝改性等。磷钼酸锌和三聚磷酸铝是近年新发展的新型防锈颜料，如PetrKalenda等 人［1］改性磷酸锌，发现磷钼酸锌具有更佳的防锈效果；张丽等人［2-4］对改性三聚磷酸铝在水性涂料中的防腐蚀机理和性能做了深入研究，用三聚磷酸铝可 替代含铬颜料。复合铁钛粉由经过表面高温包覆处理的超微细复合粉体及少量金属盐类结合而成。其防锈机理有多种，如化学防锈、纳米物理防锈等。

    2.2成膜物的选用

    本实验采用具有内交联结构的丙烯酸氨基树脂作为成膜物，其含有羟基和羧基，对底材有良好的附着力，耐碱性优良，成膜致密，能减少水、氧、离子的渗透。

    2.3不同种类防锈颜料对防腐性能的影响

    按表1所示的涂料配方分别采用不同种类的防锈颜料，防锈颜料的添加量为5%（占总质量比），控制相同的PVC（颜料体积浓度）为0.6及防锈颜料加量，按1.4方法制备，试板进行盐雾试验结果见图1。

    图1不同种类防锈颜料耐盐雾比较

    从图1可知：含铬颜料的耐盐雾性能最好。其次为AC3、ZPM、SW-111、SZP-391、ZP-10，空白样、C303、APW-Ⅱ、铁钛粉在本体系中耐盐雾性能较差。

    2.4防锈颜料用量对耐盐雾性的影响

    AC3的用量对涂料耐盐雾性的影响见图2。

    图2防锈颜料AC3用量对耐盐雾性能的影响

    如图2所示：当防锈颜料AC3用量从1%增加到5%时，耐盐雾性增大；用量继续增大到7%时，耐盐雾性变化不大；用量达到8%时，耐盐雾性 反而下降。一般来说，随防锈颜料用量的增加，防锈性增大，但如果防锈颜料的吸油量大，将影响涂膜的光泽和致密性。另一方面，如果防锈颜料的水溶性大，离子 溶出太快，则易由于渗透压而引起涂膜起泡。防锈颜料用量以5%为宜。

    2.5防锈颜料与含铬颜料混用对耐盐雾性的影响添加极少量含铬颜料后，考察AC3用量对耐盐雾性的影响，结果见图3。

    图3添加极少量含铬颜料后，防锈颜料AC3用量对耐盐雾性的影响

    图3所示：少量含铬颜料与AC3混用，AC3用量>3%时能显著提高涂膜的耐盐雾性，这是因为含铬颜料在水中溶解出铬酸根离子与阳极 产生的铁离子在钢铁表面形成一层金属氧化物的水合物，使金属表面钝化，从而阻止锈蚀过程进行下去。而AC3中的SiO2与阴极的OH-反应，最终可生成 CaSiO3沉积层，阻滞阴极的氧化还原反应。

    2.6颜料体积浓度对防锈性能的影响

    颜料体积浓度（PVC）对防锈性能有较大影响。随着PVC的增大，涂膜的附着力增加，水汽透过率下降；若PVC超过CPVC（临界颜料体积 浓度），涂膜的透过性、起泡性、防锈性发生突变。防腐蚀涂料中除了防锈颜料以外，常加入一些填料，如滑石粉、******钡、高岭土等，用于调节涂膜中的颜料体积 浓度，减少涂膜收缩。以表1为涂料基本配方，以少量含铬颜料与4%AC3为防锈颜料，用填料调节PVC，结果见表2。

    表2颜料体积浓度对涂料性能的影响

    本文水性底面合一涂料由于涂层较薄，填料的加入会增加涂膜的粗糙度，影响涂膜的致密性和光泽，因此选用PVC/CPVC≤0.6，具有良好的综合性能。

    3结语

    本实验对水性底面合一涂料中的防锈颜料种类和用量进行了选择比较，发现少量的含铬颜料与环保型防锈颜料拼用，能发挥两者的协同效应，显著提高涂层的屏蔽作用和涂层与基材的附着力，防止涂层与基材产生剥离而起泡，对抗划痕腐蚀有很好的作用。