PVC和CPVC对环氧富锌底漆防腐性的影响

0 引言
Zeno.W 威克斯[1]在《有机涂料科学和技术》一书中,把富锌底漆定义为“是用不完整的涂层对钢件进行保护的另一种方法。”富锌底漆既然是不完整的漆膜,锌的体积固体分超过临界颜料体积浓度(CPVC),以保证锌粉粒子之间和锌粒与钢件之间的良好电接触。当颜料体积浓度(PVC)超过CPVC 时,则漆膜多孔,容许水通过,完成了电通路。因此计算富锌底漆的PVC 和CPVC 对分析环氧富锌底漆的性能十分重要。


1 实验部分
1.1 正交试验
首先采用正交试验的方法,通过调整环氧树脂、固化剂、锌粉、防锈填料的用量,观察这些变量对环氧富锌底漆防腐性的影响,并进行较系统的比较分析,希望能更好地理解环氧富锌底漆配方。
采用 L9(3)4 正交表,4 因子、3 水平进行9 个试验。为了确定锌粉和几种填料的合适比例,我们对钛铁粉、磷铁粉、908 填料分别用相同的3 个L9(3)4 正交表,即进行27 个试验,对所得数据进行横向和纵向的比较,以便得出多种因子对环氧富锌底漆性能的影响。
4 因子:(A)环氧树脂用量、(B)锌粉用量、(C)填料用量、(D)不同固化剂 。
3水平:60%E20环氧树脂用量:20%、25%、30%;锌粉用量:60%、33%、20%; 填料用量:3%、6%、9%;固化剂:3 种类型环氧固化剂。在各配方中助剂相同,调整适量的溶剂。通过耐盐雾性、耐盐水性及耐水性来评价各因子对环氧富锌底漆防腐性的影响,初步结果是:
正交表1 最优配方为:A1B1C2D1,即环氧树脂用量20%、锌粉用量60%、钛铁粉用量6%、固化剂1。
正交表2 最优配方为:A2B1C1D1,即环氧树脂用量25%、锌粉用量60%、钛铁粉用量3%、固化剂1。
正交表3 最优配方为A1B2C2D2,即环氧树脂用量20%、锌粉用量33%、钛铁粉用量6%、固化剂2。
数据表明:环氧树脂和锌粉的用量对环氧富锌底漆的耐盐雾性影响最大,其用量分别为20% 和60% 最好,此时锌粉约占干膜的75% 左右。虽然选用3 种不同的防腐性填料,并采用3 个水平的用量,但对环氧富锌底漆的耐盐雾性影响较小。从试验结果分析,3种防锈填料中磷铁粉效果好于钛铁粉、908 填料(也是一种改性的磷铁粉),这是因为磷铁粉的导电性较好。在所有27 个配方中,固化剂对环氧富锌底漆的耐盐雾性影响最小,可能是固化剂用量少的缘故。在观察样板防腐效果时,通常出现的漆膜缺陷是起泡和生锈,有的配方(一般是防锈填料多而锌粉少)不易起泡,但易生锈;有的配方(一般是锌粉多)相反,不易生锈,但易起泡。按HG/T 3668—2000《富锌底漆》标准,漆膜厚度应严格控制在20~25 μm。季瑞峰等人[2]对多种不同厂家生产的环氧富锌底漆试样进行测试,表明膜厚控制在20~25 μm 情况下,很难达到HG/T 3668—2000《富锌底漆》耐盐雾性标准(72 h 不起泡、不生锈)。欲达到该标准,应通过调整富锌底漆的PVC 和CPVC 来解决。
1.2 环氧富锌底漆PVC计算
用密度计测得60%E20 环氧树脂液密度1.051,环氧稀料密度0.865,求得E20 环氧树脂密度1.223,锌粉和磷铁粉密度分别为7.06 和6.8,固化剂密度0.9。根据此数据算出正交试验1~9 号环氧富锌底漆的PVC,见表1。

 
尽管1-1#、1-4# 和1-7# 锌含量都在70% 以上,漆膜厚度20~25 μm 情况下,仍不能通过HG/T 3668—2000《富锌底漆》耐盐雾性标准(72 h 不起泡,不生锈)。
1.3 增大锌粉质量分数提高PVC
根据正交试验结果重新设计4 个环氧富锌底漆配方,即环氧树脂用量在20% 以下,锌粉质量分数为60%~50%,PVC 约50%,见表2。4 个配方和市售环氧富锌底漆的试样同时进行耐盐雾试验,漆膜厚度20~25 μm。

耐盐雾试验结果表明:24 h 后都开始起小泡,市售环氧富锌底漆试样也同样起泡;240 h 后市售环氧富锌底漆试样和1#、4# 试样耐盐雾划痕处都未生锈。这说明耐盐雾生锈取决于锌粉含量,要想耐盐雾不生锈,干膜中锌粉含量应> 65%。然而环氧富锌底漆耐盐雾起泡主要与PVC 有关,推测PVC 在40% 以下,而上述1#~4# 试样PVC 都在44%~51%。
1.4 降低PVC
为解决环氧富锌底漆耐盐雾起泡问题,降低PVC,设计5#~8# 配方。5#~8# 环氧富锌底漆耐盐雾试验结果见表3。
                                                          表3 环氧富锌底漆耐盐雾试验结果

注:① 5# 曾送检,通过96 h 耐盐雾试验;②锌粉+ 铝粉。
通过调整环氧富锌底漆PVC,观察耐盐雾性,得出如下结论:
(1) 环氧富锌底漆耐盐雾起泡主要取决于PVC的大小,即PVC 在33%~36% 时,达到HG/T 3668—2000《富锌底漆》耐盐雾性标准(72 h不起泡、不生锈)。尽管7# 配方干膜中锌粉含量达到75% 以上,但PVC超过40%,起泡仍很严重。
(2) 6# 配方只是在5# 配方的基础上加了少量的磷铁粉,明显改善了环氧富锌底漆的耐盐雾起泡和生锈性能。
(3) 8# 配方仅在5# 配方的基础上,用铝粉代替1/4 的锌粉,即锌粉和铝粉比例为4∶1,明显改善了环氧富锌底漆的耐盐雾起泡和生锈性能。
(4) 适量的磷铁粉和铝粉能改善环氧富锌底漆的导电性,有助于提高环氧富锌底漆的耐盐雾性。
1.5 环氧富锌底漆的CPVC计算
用吸油量法和吸树脂液法测得锌粉的吸油量和吸树脂量分别为7.7 g 和12.38 g。100 g 锌粉的体积为14.16 mL,亚麻油密度0.935,7.7 g 亚麻油的体积为8.24 mL。按吸油量法,此时锌粉漆的CPVC=14.16/(14.16+8.24)=63.2%;用吸树脂液法测得锌粉漆的CPVC 为14.16/14.16+(12.38×60%)÷1.22=70.0%。《涂料配方原理及应用》[3]提供锌粉的PVC 是60%~70%。Z. 威克斯《有机涂料科学和技术》一书中,也提到富锌底漆的PVC>CPVC,锌粉的CPVC约67%。《涂料化学》[4]一书中介绍,CPVC=1/1+OA·ρ/93.5式中,OA 为吸油量;ρ 为颜料密度;93.5 是亚麻油的密度。
以此式计算环氧富锌的CPVC:
CPVC=1/1+(7.7×7.06/93.5)=63.3%
以吸环氧树脂液计算环氧富锌的CPVC:
CPVC=1/1+(12.38×0.6×7.06/122.3)=70.0%
几种资料介绍,环氧富锌底漆的CPVC 在60%~70% 时,其防腐性能应该最好。也有资料介绍,环氧富锌底漆的PVC 最好为42%,此时锌粉含量为82%。我们的正交试验中,1-1# 和1-4# 配方耐盐雾性最好,尤其耐生锈时间更长,1-1# 和1-4# 配方的PVC分别为44.48% 及39.7%。环氧富锌底漆的PVC 在60%以上,还是在42% 左右,哪种情况耐盐雾性最好,上述两种说法似乎是矛盾的。
1.6 PVC>CPVC环氧富锌底漆的耐盐雾试验
PVC > CPVC 的环氧富锌底漆配方见表4[5]。此配方耐盐雾120 h,超过HG/T 3668—2000《富锌底漆》耐盐雾性标准(72 h 不起泡,不生锈)。

注:PVC=126.06/(151.06 + 15.7)=75.6%;固体分:85.2%(甲组分固体分92.1%);锌粉体积固体分:75.3%。


环氧富锌底漆PVC 与耐盐雾性的关系如图1 所示。


图1 环氧富锌底漆PVC与耐盐雾性的关系


2 结语
(1) 以上试验表明:解决环氧富锌底漆耐盐雾性应按照CPVC 理论,即PVC < 40% 或> 60% 的情况下,可以达到HG/T 3668—2000《富锌底漆》耐盐雾性标准,即72 h 不起泡、不生锈(漆膜厚度为20~25 μm)。
(2) 关于富锌底漆很多文章都提到漆膜厚度对耐盐雾性的影响,各种有关富锌底漆的漆膜厚度规定也不一致。HG/T 3668—2000《富锌底漆》耐盐雾性标准规定漆膜厚度为20~25 μm,能较快地比较出各种环氧富锌底漆的耐盐雾性。
(3) 富锌底漆的PVC 与防腐性的关系还要通过工程应用实践来评价,至少要通过曝晒试验。我们已对不同PVC 的环氧富锌底漆进行曝晒,以便进一步确定PVC 与防腐性的相关性。

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