一種環氧乳液的製備及其在水性環氧防腐塗料上的應用

0 前言

隨著經濟下行和市場萎縮這一新常態的出現，又相繼出台實施塗料消費稅、禁油漆令、新大氣法等多項環保政策，令塗料行業的生存倍感壓力，也對塗料行業加快轉型升級起到了推波助瀾的作用。環境友好型、資源節約型塗料的研發與生產已經成為塗料行業發展的主旋律。在此背景下,鋼結構防腐已逐步開始使用水性化塗料。不含揮發性有機化合物和低揮發份的環氧樹脂體系，已成為國內外環氧樹脂水性化研究的熱點，得到塗料人的高度重視。如今國內外90%以上的塗料企業都在從事水性環氧塗料的開發，發展前景樂觀。

環氧樹脂的水性化方法有直接法、相反轉法、化學改性法等三種，其中化學改性法所製得的乳液粒子尺寸較小、性質較穩定、不易發生破乳等優點成為環氧樹脂水性化較常用的方法。室溫固化水性環氧樹脂塗料在塗料領域的使用大致分四種類型:I型體系，由水性環氧固化劑和低分子質量的液體環氧樹脂組成，其水性環氧固化劑既是交聯劑，又是乳化劑，它在使用前混合乳化液體環氧樹脂便可配成零VOC塗料；Ⅱ型體系，由中高分子量的固體環氧樹脂分散體和水性環氧固化劑組成，由於其反應活性低於液態環氧樹脂，因此Ⅱ型水性環氧樹脂體系的適用期比I型長，表干時間比I型短；Ⅲ型體系，由低分子量液體環氧樹脂乳液和水性環氧固化劑組成，它既含有親水的表面活性鏈段，又含有親油的環氧樹脂鏈段，可大大改善乳化劑和環氧樹脂的相容性，也可配製成零VOC的水性環氧塗料；Ⅳ型體系，由水性環氧樹脂乳液和聚氨酯改性環氧固化劑組成，以適量的聚氨酯改性環氧樹脂製得綜合性能良好的聚氨酯改性環氧固化劑，用它固化環氧樹脂乳液，可改善水性環氧樹脂塗料的性能。

本文介紹Ⅲ型水性環氧樹脂體系，針對市場上環氧乳液價格高、性能差距較大的問題，自行開發環氧樹脂乳液，通過觀察產品性能可以滿足鋼結構環氧防腐塗料的要求，並且能夠大幅度降低生產成本，讓水性化的環氧塗料更快推向市場。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 試驗材料

液體環氧樹脂、改性胺加成物、反應型乳化劑、金紅石鈦白粉、氧化鐵紅、雲母氧化鐵、磷酸鋅、三聚磷酸鋁、硫酸鋇、滑石粉、增稠劑、消泡劑、流平劑等，其中只有改性胺加成物為國產和進口兩種，其餘全部是國產工業品。

1.1.2 試驗設備

SFJ分散機、101A-1電熱鼓風乾燥箱、塗料比重杯、漆膜劃格器、彎曲實驗儀、塗-4粘度計、漆膜擺桿式硬度計、乾燥時間測定儀、流掛實驗儀、分析天平、精密型耐鹽霧實驗機、X熒光光譜儀、衝擊試驗儀、PosiTest AT-M附著力測定儀。

1.2 水性環氧乳液的製備

1.2.1 乳液配方

液體環氧樹脂50%、反應型乳化劑10%、去離子水40%、消泡劑0.3%。

1.2.2 乳液生產工藝

在反應釜中加入配方量一半的去離子水、乳化劑、全部的環氧樹脂，升溫到（60-65）℃，在（600-700）r/min下反應60min後，在攪拌下滴加剩下的水，繼續分散30min,停止攪拌，取樣、檢測，合格後包裝備用。

1.2.3 乳液技術指標

見表1

表1 乳液技術指標

2 試驗結果與討論

在當前市場背景下，很多水性化防腐塗料能夠滿足檢測要求，樣板因沒有經過戶外放置對實際使用環境的考察，往往會在施工後出現問題；另外，因水性防腐塗料價格高、沒有大的工程業績支撐，讓客戶對水性防腐塗料望而卻步，是造成其無法在鋼結構行業推廣應用的主因。現在，如果能夠利用此水性環氧乳液作為環氧防腐塗料的成膜物，原材料成本將與溶劑型環氧塗料相當，可為水性化環氧防腐塗料的推廣打下良好基礎。採用此乳液先在清漆上進行實驗，檢測清漆的性能，如果清漆能夠達到所預期的性能，特別是塗膜通過戶外放置沒有出現起泡、剝落、生鏽、開裂等問題，就可進行配方設計，推廣到底漆、中間漆、面漆上，實現水性環氧防腐塗料的系列化生產與應用。

2.1 試驗結果

2.1.1 自製環氧乳液在環氧清漆上的應用

2.1.1.1 水性環氧清漆配方

見表2

表2水性環氧清漆配方

2.1.1.2 水性環氧清漆生產工藝

主漆：在調料罐中加入配方量的乳液、分散劑、消泡劑、流平劑，用去離子水調整粘度，攪拌均勻，檢測滿足內控指標後過濾包裝。

固化劑：依據所需要的配比、乳液用量、乳液的環氧值、改性胺加成物的活潑氫當量，計算改性胺加成物用量，用去離子水進行調整，最後加入消泡劑消泡，檢測合格後進行包裝。

2.1.1.3性能指標主要採用水性環氧樹脂防腐塗料HG/T4759-2014標準進行檢測，同時結合溶劑型環氧塗料的性能，並增加戶外放置對實際應用環境的考察，按照漆：固化劑=2:1進行配比，檢測結果見表3：

表3 環氧清漆檢測結果

從表3環氧清漆檢測結果可以看出，水性環氧乳液與改性胺加成物配製的產物樣品有非常好的性能，性能完全滿足HG/T4759-2014標準。因此利用此乳液，通過配方設計，利用各種原材料的特點，調整產品因硬度高造成衝擊、彎曲剛好合格的不足，根據多年產品開發的經驗，完全有可能在水性環氧防腐底、中、面漆上調整出性能良好的樣品。

2.1.2 自製環氧乳液在水性環氧防腐漆中的使用

2.1.2.1水性環氧防腐漆分為底漆、中間漆和面漆，它們的配方見表4：

表4 水性環氧防腐漆配方

2.1.2.2水性環氧防腐漆的生產工藝

A.底漆生產工藝：在調料罐中加入配方量的乳液、分散劑、一半的去離子水，攪拌均勻，依次加入鐵紅、磷酸鋅、硫酸鋇、滑石粉高速分散10min，研磨到細度≤50um,在研磨好的漿中加入流平劑、消泡劑，用去離子水調整配方，檢測合格後過濾包裝。

B.中間漆生產工藝：在調料罐中加入配方量的乳液、分散劑、攪拌均勻，依次加入雲母氧化鐵、三聚磷酸鋁、高速分散30min,最後加入配方量的流平劑、消泡劑、增稠劑，用去離子水調整配方，檢測合格後過濾包裝。

C.面漆生產工藝：在調料罐中加入配方量的乳液、分散劑、一半的去離子水，攪拌均勻，依次加入鈦白粉、硫酸鋇、滑石粉高速分散10min後，研磨到細度≤35um，再加入配方量的流平劑、消泡劑，用去離子水調整配方，檢測合格後過濾包裝。

D.水性環氧固化劑的製備：依據所需要的配比、乳液用量、乳液的環氧值、改性胺加成物的活潑氫當量，可以計算改性胺加成物用量，用去離子水進行調整，最後加入消泡劑消泡，檢測合格後進行包裝。

2.1.2.3性能指標主要採用HG/T4759-2014標準進行檢測，同時結合溶劑型環氧HG/T4340-2012標準進行檢測，底漆按照漆：固化劑=4:1，中間漆漆：固化劑=3:1，面漆按照漆：固化劑=3:1進行配比，檢測結果見表5：

表5 水性環氧防腐漆檢測結果

以上表3、表5中所有帶*的項目都是增加檢測項目

2.2 討論

2.2.1 乳化劑的影響

常規乳化劑不能乳化出性能穩定的環氧樹脂乳液，採用反應型與雙子型表面活性劑共用，利用其既含有親水鏈段，又含有親油的環氧樹脂鏈段，可很好改善乳化劑和環氧樹脂的相容性，生產出性能穩定、低成本的乳液，解決了水性環氧乳液原材料來源問題，同時改性胺加成物既是交聯劑也是乳化劑，使用前混合便可配製成用水稀釋的零VOC的水性環氧防腐塗料。

2.2.2 消泡劑的影響

水性產品的消泡效果不如溶劑型產品，一定要使用消泡劑，但由於消泡劑多了會出現縮孔，少了會出現針孔，一定要控制好其用量，實際用量控制在（0.2-0.5）%之間。

2.2.3 流平劑的影響

由於受水表面張力作用，塗膜會出現縮邊，氣泡消失後經常出現針孔等問題，沒有流平劑表觀效果差，且影響產品性能，因此必須添加流平劑，考慮水性流平劑價格高，用量一般控制在（0.3-0.6）%之間。

2.2.4 顏色的影響

由於乳液為白色，干膜與濕膜顏色差別很大，不容易配製所要求的顏色，對複色漆的配色造成很大影響，配色時一定要等漆膜固化後再進行顏色比對，否則配不準所要的顏色。

2.2.5 防閃銹劑的影響

水性塗料用在鋼結構時一定要添加防閃銹劑，否則乾燥過程很容易產生鏽點，但在試驗主漆時發現：乳液與除銹後的鐵板接觸不會出現生鏽的現象，這與乳液中的活性劑有一定的抗閃銹能力有關；另外改性胺加成物為鹼性，可以抑制閃銹，從清漆和白色環氧面漆的檢測結果看，即使沒有添加防閃銹劑，產品同樣具有良好的抗閃銹性能；在底、中、面漆戶外放置考察60d以上沒有出現起泡、剝落、生鏽、開裂等現象也說明可以不添加防閃銹劑，故配方中不考慮添加防閃銹劑。

2.2.6 水的影響

生產過程中不能過度用水稀釋，否則會析出環氧樹脂造成分層，並且影響產品性能,水的用量控制在（5-10）%，以採用去離子水為佳。

2.2.7 攪拌速度的影響

攪拌速度不能高，否則產品中存在大量空氣，在施工時會影響產品外觀與性能，攪拌速度一般控制在800r/min內。

2.2.8 增稠劑的影響

由於所用液體環氧樹脂分子量較小，產品容易出現假稠現象，故底漆和面漆不宜添加增稠劑，中間漆雲母氧化鐵比重大、用量多、有流掛要求，必須添加一定量的增稠劑，用量控制在（0.6-1.0）%之間。

2.2.9 固化劑的影響

在試驗過程中發現，分別採用國產固化劑和進口固化劑與主漆進行配製檢測性能，國產固化劑的乳化性能和防腐性能不如進口改性胺加成物固化劑，雖然國產產品價格較低，是進口產品價格的1/2，但是從產品質量第一考慮，還是採用進口固化劑為佳。

2.2.10 防凍劑的影響

考慮環氧塗料在冬天氣溫低時一是會影響固化、二是水性塗料不適合氣溫在5℃以下施工，如果添加防凍劑勢必會增加VOC的排放，所以產品沒必要添加防凍劑。

2.2.11 戶外放置

根據個人多年的研究經驗，特別是需要添加防閃銹劑的水性防腐塗料，其性能可完全滿足行業標準要求，但在實際應用中，戶外放置的產品其塗膜常出現生鏽泛黃現象，引發與施工單位的矛盾。因此，在試驗時，一定要進行樣板的戶外實際結果的考察，戶外性能考察不合格的產品，儘管技術指標良好，配方最終可能還是毫無價值。所以在檢測時添加了戶外放置的考察指標，並且時間不能低於30d，只有經歷戶外一定時間的日晒、雨淋、濕變、溫變等自然條件的交替循環，才能證明配方是否有使用價值。

3 結語

原材料環氧樹脂、乳化劑、活性劑的價格可控，水可就地取材自行處理，為產品降低成本打下基礎；利用自製的環氧乳液設計的配方可以生產出滿足水性環氧樹脂防腐塗料HG/T4195-2014標準要求的水性樣品，增加檢測項目的性能與溶劑型產品已非常接近，樣品底、中、面分別經歷戶外放置實際使用環境的考察，沒有發現質量問題；由於配方中沒有添加任何有機溶劑，施工使用中沒有氣味，施工用具完全以水清洗，減少有害物質的處理，有效改善施工環境和作業人員健康，實現零VOC排放。因此自製環氧乳液能夠讓水性化環氧塗料更快速的推向市場，實現水性環氧防腐塗料的產業化發展。

詳情見《現代塗料與塗裝》2016年第6期

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