双组分水性环氧防腐涂料的研制

0 引言
金属的腐蚀主要是由金属与其接触的介质发生化学或电化学反应而引起的,这些反应使金属结构受到破坏,造成设备报废。金属腐蚀在国民经济中造成了大量的资源和能源浪费,全世界每年因腐蚀造成的经济损失约为1 万亿美元,为火灾、风灾和地震造成损失的总和。涂装防腐涂料作为最有效、最经济、应用最普遍的防腐方法,受到了国内外广泛的关注和重视。随着我国建筑、交通、石化、电力等行业的发展,防腐涂料的市场规模已仅次于建筑涂料而位居第2 位。据统计,2004 年我国防腐涂料总产量达到60 万t,预计2020 年将突破100 万t 大关。而环氧树脂涂料是最具代表性的、用量最大的高性能防腐涂料品种。传统的环氧树脂难溶于水,只能溶于芳烃类、酮类及醇类等有机溶剂,必须用有机溶剂作为分散介质来稀释,将其配成一定浓度、一定黏度的树脂涂料才能使用。用有机溶剂作为分散介质来稀释环氧树脂不仅成本高,而且在使用过程中,挥发性有机化合物(VOC)对人体危害极大,对环境也会造成污染。为此,许多国家先后颁布了严格限制VOC 排放的法规,环氧树脂水性化技术成为各国研究的热点。从20世纪70 年代起,国外就开始研究环境友好型水性环氧树脂体系,我国从20 世纪90 年代初开始对水性环氧体系和水性环氧涂料进行研究开发。本文设计开发出了水性环氧树脂乳液和聚醚型水性环氧树脂固化剂,并由其制备了双组分水性环氧防腐涂料,其物理和化学性能优异。

1 实验部分
1.1 原材料
聚乙二醇1000、聚乙二醇1500、聚乙二醇4000 :天津市科密欧化学试剂开发中心;双酚A 型环氧树脂E20、E51 :江苏三木集团有限公司;过硫酸钾:天津市天大化工实验厂;脂肪族单环氧化物:无锡久耐防腐材料有限公司;二乙烯三胺:潍坊中化贸易有限公司;乙酸:济南三恩化工有限公司;去离子水:自制;润湿分散剂,消泡剂,基材润湿剂,氧化铁黑:德国拜耳公司;多功能助剂:美国陶氏公司;三聚磷酸铝:石家庄市鑫盛化工有限公司;防闪锈剂:兖州浩然化工有限公司;增稠剂:北京东方澳汉有限责任公司。
1.2 仪器
TO6001 电子天平:天津天平仪器有限公司;JJ-1 增力电动搅拌器、QSM- Ⅱ型砂磨机、QHQ 型涂膜铅笔硬度划痕硬度仪、QTX 型漆膜弹性试验器、QFZ-Ⅱ型漆膜附着力试验机:天津材料试验机厂;YWX/Q-150 型盐雾试验箱:无锡苏南试验设备有限公司。
1.3 反应型环氧树脂乳化剂的合成
将环氧树脂和聚乙二醇以一定的摩尔比(环氧基与羟基摩尔比为1 ∶ 1)加入装有搅拌器和温度计的250 mL 三口瓶中,加热,待环氧树脂与聚乙二醇熔融混合均匀后,分别于80℃、100℃、120℃、150℃下滴加过硫酸钾水溶液,于2 h 内滴加完毕。控制反应在此温度,保温反应6 h。
1.4 水性环氧乳液的制备
将E-51 环氧树脂与上述反应型环氧树脂乳化剂以质量比4 ∶ 1 加入到高剪切均质乳化反应器中,于50℃加热搅拌,混合均匀,滴加去离子水,直到电导率突然增加,此时体系的连续相由环氧树脂相转变为水相,发生了相反转。继续高速搅拌一段时间后,加入适量去离子水,制成固含量为65% 的水性环氧乳液。
1.5 聚醚型水性环氧固化剂的合成
将环氧树脂E-20 与聚乙二醇1500 按摩尔比2 ∶1 加入反应釜中,搅拌,加热升温到60℃,待反应物熔融后,加入催化剂过硫酸钾,反应8 h 后,加入二乙烯三胺,升温至120~130℃,保温反应2 h,制得胺封端的环氧树脂加成物。减压蒸馏除去多余的二乙烯三胺。加入脂肪族单环氧化物,升温到140℃,保温2 h,在100℃下加入乙酸,反应1 h,制得酸中和的环氧树脂固化剂。
1.6 双组分水性环氧防腐涂料的制备
双组分水性环氧防腐涂料的配方见表1。
表1 双组分水性环氧防腐涂料的配方

双组分水性环氧防腐涂料的制备:将去离子水、润湿分散剂、多功能助剂、消泡剂、颜填料、水性环氧乳液、基材润湿剂等按配方量称量,依次加入容器内,搅拌均匀无大块。然后用砂磨机将上述混合物研磨至细度小于30 μm,加入防闪锈剂、增稠剂等,即得A 组分。将组分A 与组分B 混合,制成双组分常温干燥型水性环氧防腐涂料。
1.7 性能测试
上述涂料按规定制板后,进行各项性能测试,结果见表2。
表2 漆膜性能的测试结果

2 结果与讨论
2.1 反应型环氧树脂乳化剂合成条件的选择
表3 为不同实验条件下乳化剂的状态。
表3 不同实验条件下乳化剂的状态

将不同实验条件下乳化剂的状态分别编号为1~16 号,所得非离子表面活性剂的水分散性由好到坏的顺序依次为11 > 12 > 10 > 4 > 3 > 16 > 15 >8 > 7 > 2 > 14 > 6 > 9 > 1 > 13 > 5。其中11 和12号产物可以用水无限稀释且透明;10~7 号产物为带蓝光的水乳液;2~5 号产物不能得到水分散液。随着反应温度的升高,所得产物冷却后的结晶变大,颜色也由无色变为黄色。
2.2 聚醚型水性环氧固化剂的合成原理
聚醚型水性环氧固化剂的合成路线如图1 所示。

由图1 可见:采用单脂肪族环氧化合物与伯胺反应,生成了仲氨基,减缓了反应速率,使附着活性强的基团不断地进入底材孔隙中,再使仲胺与环氧基交联增强附着力,从而提高涂料的防腐性能。
2.3 双组分水性环氧防腐涂料的防腐机理分析
成功合成了水性环氧树脂乳液及水性环氧树脂固化剂,两者相容性好,制备的漆膜致密,具有优异的干湿膜附着力。另外,在制漆时将颜填料、助剂与水性环氧乳液充分混合研磨制成组分A,这样可使环氧大分子包覆各种颜填料,分散均匀,更有利于性能的发挥。三聚磷酸铝可磷化和钝化金属表面,具有强效和长效相结合的特点,可以有效地防止锈蚀蔓延。

3 结语
研制的双组分水性环氧防腐涂料的物理、化学性能优异,施工有效期长达6 h,能够满足工业化施工要求,安全环保,适用于船舶、集装箱、石油化工管道、冶金、电力、食品、纺织等行业中钢铁构件的防锈和防腐涂装。

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