传统的钢结构用防腐底漆多为溶剂型涂料，其中有机溶剂含量一般达到涂料成品量的20%～50%。使用时为便于施工还常加入5%～20%的溶剂稀释。这些溶剂在涂料施工过程中要挥发出来，造成资源浪费、环境污染，危害施工和使用人员健康，并产生火灾隐患。近年来世界各国涂料行业加紧对低VOC排放的环保型涂料的研究，水性防腐涂料大大减少甚至完全消除了VOC排放，而且使用安全方便，得以迅速发展。单组分水性防腐涂料采用的基料聚合物乳液多为热塑型，涂膜硬度、耐介质性、耐污染等性能难以达到溶剂型工业涂料水平。因而近年来人们开始致力于双组分水性防腐涂料的研究。双组分水性环氧防腐涂料可以室温交联固化，附着力强，机械强度高，耐化学介质性能好，其性能可以达到溶剂型环氧涂料水平，因而可以替代溶剂型环氧防腐涂料，应用于钢结构防腐。


20世纪90年代初，壳牌、BASF、日本三和分别开发出水性环氧固化剂。并在钢结构防腐涂料、混凝土结构防腐涂料、地坪涂料方面成功应用。近年来，国内一些公司、研究单位开始研究开发水性环氧乳液、水性环氧固化剂和双组分水性环氧树脂涂料。例如苏州圣洁特种树脂有限公司的水性环氧固化剂，浙江安邦新材料发展有限公司的水性环氧乳液和水性环氧树脂固化剂，海洋化工研究院的水性环氧乳液和水性环氧固化剂，都已用于钢结构防腐涂装工程。国内水性环氧乳液和水性环氧固化剂价格显著低于进口产品，但在贮存稳定性、产品性能方面较国外大公司的产品还有一定差距。


水性环氧涂料根据环氧树脂乳化方式的不同分为施工现场自乳化(Ⅰ型)和事先制备环氧乳液(Ⅱ型)两条路线。Ⅰ型采用水稀释型环氧固化剂为基料制备涂料A组分，以采用活性稀释剂(或溶剂)稀释的环氧树脂为B组分，施工前将两组分混合，搅拌自乳化后施工；Ⅱ型采用水稀释型环氧固化剂或固化剂乳液为基料制备涂料A组分，以环氧树脂乳液为B组分，施工前将两组分混合，搅拌均匀后施工。两种路线的水性环氧底漆各有特色：Ⅰ型的水性固化剂为胶体溶液或微乳胶，采用的环氧树脂分子量一般也较低，涂料渗透性好，涂膜附着力强。液体环氧树脂可以直接使用或采用活性稀释剂(或溶剂)稀释后使用，涂料成本较低。后者由于环氧树脂是乳化而不是溶解于水中，在不影响涂料施工性能的情况下，可以选用较高分子量的环氧树脂，涂料施工时表干快，所得涂膜柔韧性、机械强度和耐磨性好，但由于使用环氧乳液为基料，涂料成本较高。本试验采用Ⅰ型路线。


1·试验部分


1.1主要原材料


(1)水性环氧固化剂：WEC-402，海化院；8537-WY-60，HEXION；WH-900、WH-1000，三和。


(2)环氧树脂：SM618，江苏三木；EPON-828，壳牌。


(3)活性稀释剂：H-8活性稀释剂，壳牌。


(4)颜填料：铁红、磷酸锌、三聚磷酸铝、沉淀硫酸钡、滑石粉。


(5)助剂：毕克、科宁、COTEX产品。


1.2水性环氧底漆的制备


1.2.1涂料配方(见表1)


1.2.2制备工艺


A组分制备工艺：


先将部分水性环氧固化剂与消泡剂、水预混，然后加入颜填料，经砂磨机研磨至细度合乎要求，制得色浆。在搅拌状态下，向制得色浆中加入配方中剩余水性环氧固化剂、闪蚀抑制剂、触变剂及流平剂，搅匀、过滤。B组分制备工艺：


将配方量的环氧树脂与活性稀释剂搅拌均匀。


1.3涂膜性能测试






涂料参考配方


 


涂膜性能按相应的国家标准进行测试。


2·结果与讨论


2.1不同水性环氧固化剂的影响


配方中其他因素不变，采用不同的水性环氧固化剂，试验结果见表2。


由表2可见，各种水性环氧固化剂制得底漆都有极好的附着力和物理机械性能，防锈性能也都很优秀。盐雾试验的破坏主要表现为起泡。防起泡的效果顺序为8537-WY-60>WEC-402，WH-900>WH-1000。






不同水性环氧固化剂的影响


 


2.2颜料体积浓度对涂膜性能的影响


以SM618环氧树脂+H8活性剂和WEC-402水性环氧固化剂为基料，颜填料选用铁红、沉淀硫酸钡、滑石粉、磷酸锌和三聚磷酸铝，研究了不同颜料体积浓度(PVC)对涂膜耐盐雾性能、耐冲击性能的影响，结果分别见表3。






颜料体积浓度对涂膜性能的影响


 


由表3可见，颜料体积浓度介于20%～35%时，涂膜耐冲击强度正冲、反冲都较好；颜料体积浓度大于40%时，涂膜耐冲击性能降低。


颜料体积浓度在20%～40%范围内，涂膜防腐性能没有明显变化；颜料体积浓度小于25%时，涂层有起泡倾向；颜料体积浓度大于40%时，防锈性能下降，这是由于随着颜填料的增加，涂膜的封闭性降低，渗透性增加，从而导致防腐性能下降。


2.3活性防锈颜料对涂料防腐性能的影响


由于以水为分散介质，水性涂料施涂于金属基体表面时容易产生瞬间锈蚀，即闪蚀现象，因此单靠惰性防锈颜料不能满足要求，必须和活性防锈颜料配合使用。活性防锈颜料在水性体系必须具有适合的溶解度。溶解度过高，涂膜遇水会产生较大渗透压，产生起泡现象；溶解度过低，则不能使基体金属有效钝化。活性防锈颜料对涂料防腐性能的影响见表4。






活性防锈颜料对涂料防腐性能的影响


 


表3结果表明，水性环氧树脂体系与三聚磷酸铝+磷酸锌+锌黄配合时防腐性能较好。主要是由于三聚磷酸铝、磷酸锌和锌黄配合有协同增效作用，溶出的磷酸根、多聚磷酸根和铬酸根离子能起钝化作用，既解决了水性涂料在钢铁底材上施工时的闪蚀问题，成膜后又能缓慢释放缓蚀离子，与物理防锈颜料一起到长期的防腐作用。


2.4水性环氧固化剂与环氧树脂配比对涂料性能的影响


水性环氧固化剂与环氧树脂的配比对水性环氧底漆的性能有较大影响。一方面，增大环氧固化剂和环氧树脂的当量比，有助于提高涂膜的固化速度和交联密度，从而有利于提高涂膜的干燥速度、附着力、耐溶剂性等。另一方面，对乳化固化型水性环氧涂料体系，由于水性环氧固化剂中含具有表面活性作用的链段，适当降低两者的配比，可改善涂膜的耐水性和耐盐雾性能。水性环氧固化剂与环氧树脂配比对涂料防腐性能的影响见表5。试验结果表明，固化剂与环氧树脂当量比在(0.9～1.05)∶1为宜。


2.5活性稀释剂用量对涂料性能的影响






活性稀释剂用量对涂料性能的影响


 


由于环氧树脂黏度很大，为便于使用必须适当稀释。如果使用有机溶剂，会增加涂料的有机挥发物含量；活性稀释剂是黏度较低的含单环氧官能团的小分子量化合物，既能降低环氧树脂的黏度，与固化剂混合后又能与固化剂交联固化。但是，一方面活性稀释剂的价格较高，另一方面其用量对水性环氧涂料的固化速度和交联密度有较大影响，以下是水性环氧固化剂的活泼胺氢环氧树脂当量比在1∶1.1条件下涂料的胶凝时间和涂膜固化48h后的耐溶剂性。


综合考虑，活性稀释剂的用量以10%～15%(质量分数)为宜。


2.6流变助剂对涂料性能的影响


流变助剂主要影响涂料贮存的抗沉降性能和施工过程的抗流挂性能。为提高涂装效率，水性环氧防腐涂料的单道干膜厚度要求在40～50μm，这就要求涂料有良好的抗流挂性能，我们对水性涂料常用的流变助剂进行了筛选，结果见表7。






流变助剂对涂料性能的影响


 


试验结果表明，在水性环氧涂料体系中，膨润土有较好的防沉和抗流挂性能，对涂料状态和固化无不利影响，适合喷涂施工；PU缔合型增稠剂开罐状态好，刷涂效果好。


2.7水性涂料与溶剂型涂料的成本和性能对比


2.7.1成本对比


水性涂料与溶剂型涂料的成本对比见表8和表9。由表8、表9数据可知，本水性环氧底漆材料成本略低于溶剂型环氧底漆，考虑到原料价格变动因素，两者处于相近水平。由于溶剂型涂料施工需要用有机溶剂稀释，水性涂料使用成本低于溶剂型涂料。














成本对比


 


3·结论


采用水性环氧固化剂乳化固化环氧树脂技术路线，制备了钢结构用双组分水性环氧防腐底漆。该水性底漆VOC含量低，仅相当于溶剂型涂料的1/5，成本与溶剂型环氧底漆相当，涂膜物理机械性能和防腐性能可以达到溶剂型环氧底漆水平。本水性底漆可以替代溶剂型环氧底漆，用于钢结构防腐。

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