0前言

為保障金屬的使用壽命，在使用前一般進(jìn)行涂裝以降低金屬的腐蝕速度。涂裝前為保證防腐的效果，傳統(tǒng)工藝要求徹底除銹，但對(duì)于大型設(shè)備、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無(wú)法進(jìn)行噴砂處理，為達(dá)到預(yù)期的防腐效果，只能采用帶銹涂裝，既可以減少表面處理的工作量，又滿足了對(duì)金屬銹蝕表面的防護(hù)要求。水性涂料作為涂料工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)之一，具有發(fā)揮性有機(jī)物（VOC）含量極低或不含VOC的優(yōu)勢(shì)，是一種綠色環(huán)境友好的涂料。

水性轉(zhuǎn)化型帶銹涂料含有可以與鐵銹發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的成分，能將鐵銹轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的或者有保護(hù)作用的物質(zhì)，使銹蝕層成為堅(jiān)實(shí)并能很好附著于鋼鐵表面的物質(zhì)。以水性偏二氯乙烯乳液為主要成膜物質(zhì)，添加酸性銹轉(zhuǎn)化劑，制備的涂料具有高固低黏、成膜溫度低、抗菌、阻燃、水氣阻隔性突發(fā)等優(yōu)勢(shì)，是一類(lèi)施工便捷、成本適中、VOC排放低、性能卓越的環(huán)境友好型水性產(chǎn)品。水性丙烯酸聚氨酯防腐涂料具有高耐候性、耐化學(xué)品性強(qiáng)、防腐性能好、耐玷污性優(yōu)異等特點(diǎn)，適合用作防腐和耐候性優(yōu)異的高性能防腐面漆。

本實(shí)驗(yàn)制備一種能夠在一定的銹蝕表面直接施工的涂料，利用底漆銹轉(zhuǎn)化技術(shù)與鐵銹層發(fā)生固相反應(yīng)，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，面漆高性能樹(shù)脂及防銹顏填料作用，在基材表面形成致密的防腐涂層，起到帶銹、防腐的涂裝效果。

1試驗(yàn)部分

1.1主要原料和儀器

水性偏二氯乙烯乳液P，路博潤(rùn)；水性丙烯酸多元醇分散體W、水分散型聚異氰酸酯D，DIC化學(xué)；消泡劑A，巴斯夫；消泡劑B、分散劑，畢克助劑；潤(rùn)濕劑，空氣產(chǎn)品：表面活性劑A，陶氏化學(xué)；觸變劑，蘇威化工；顏填料：鈦白粉R-706、硫酸鋇、云母粉，市售；磷酸鋅/鉬酸鹽復(fù)合物N，紐碧萊；改性三聚磷酸鋁、單寧酸，市售；銹轉(zhuǎn)化劑A，HALOX，丙二醇甲醚、醇酯12，市售；三級(jí)水，自制 。

BGD750/1高速分散機(jī)、BGD502/1涂膜劃格器，BGD560涂膜柔韌性測(cè)試儀、標(biāo)格達(dá)精密儀器；QZM-1錐體磨，天津永利達(dá)；拉開(kāi)法附著力測(cè)定儀，美國(guó)狄夫斯高；YWX/Q-150鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，無(wú)錫蘇南試驗(yàn)設(shè)備。

1.2水性防腐涂料的制備

1.2.1水性銹轉(zhuǎn)化底漆的制備

在中速攪拌下，將表1配方中的三級(jí)水、消泡劑、助溶劑、潤(rùn)濕劑、表面活性劑等依次加入上磨釜，加入硫酸鋇填料，充分?jǐn)嚢韬?，研磨至?xì)度≤30um。在低速攪拌下，將砂磨漿加入調(diào)漆釜中，混合均勻即可。

表1 水性銹轉(zhuǎn)化底漆的配方

Table 1 Formula of Waterborne Rust Conversion Primer

1.2.2水性丙烯酸聚氨酯面漆的制備

將水性丙烯酸多元醇分散體加入調(diào)漆釜中，在攪拌狀態(tài)下，依次加助劑、助溶劑、顏填料、充分?jǐn)嚢韬蠹尤肓髯冎鷦?、三?jí)水，制得甲、乙組分，其配方見(jiàn)表2。

表2 水性丙烯酸聚氨酯面漆的配方

Table2 Formula of Waterborne Acrylic Polyurethane Topcoat

1.3涂料的性能檢測(cè)

參照化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T5173-2017《帶銹涂裝用水性底漆》中指標(biāo)，及HG/T4761-2014《水性聚氨酯涂料》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足南方某地區(qū)化工科技園客戶要求，制定相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，并檢測(cè)涂料和涂層的各項(xiàng)性能，其結(jié)果見(jiàn)表3、表4所示。

表3 水性銹轉(zhuǎn)化底漆的性能檢測(cè)結(jié)果

Table3 Performance Test Results of Waterborne Rust Conversion Primer

表4 水性丙烯酸聚氨酯面漆的性能檢測(cè)結(jié)果

Table 4 Performance Test Results of Waterborne Acrylic Polyurethane Topcoat

注：*為配套涂層測(cè)試

1.4水性帶銹防腐涂層體系

水性帶銹防腐涂層體系的選擇要充分考慮大氣腐蝕環(huán)境不同的特點(diǎn)，對(duì)于腐蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)，水性銹轉(zhuǎn)化底漆具有轉(zhuǎn)銹、穩(wěn)銹效果，但不具備防腐性^[10]。水性環(huán)氧中間漆或丙烯酸聚氨酯中間漆具有屏蔽、緩蝕保護(hù)等作用，應(yīng)用于環(huán)境苛刻條件下。水性丙烯酸聚氨酯涂料可適用于各種腐蝕環(huán)境的作業(yè)，應(yīng)用范圍相對(duì)廣，在工業(yè)防腐中，可符合不同復(fù)雜環(huán)境的防腐要求，以滿足各種工程需求。根據(jù)行規(guī)HG/T5176-2017《鋼結(jié)構(gòu)用水性涂料》中大氣腐蝕等級(jí)C3及客戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工要求，.終本實(shí)驗(yàn)確定涂裝涂層體系見(jiàn)表5。

表5 涂裝涂層體系

Table 5 Coatings System

注：水性環(huán)氧中間漆可在中等鹽度的工業(yè)區(qū)和沿海區(qū)的C4-C5等級(jí)腐蝕環(huán)境中配套使用

2結(jié)果與討論

2.1涂層配套性

樹(shù)脂對(duì)涂層性能起著決定性作用。本實(shí)驗(yàn)中銹轉(zhuǎn)化劑與鐵銹在PH值為1.5-2酸性條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)化，整個(gè)體系是偏酸性的。水性銹轉(zhuǎn)化底漆PH在1.0-2.2，是一款偏酸性涂料。水性丙烯酸聚氨酯面漆是通過(guò)水性丙烯酸多元醇乳液和水性異氰酸酯固化成膜。因此水性銹轉(zhuǎn)化底漆與水性丙烯酸聚氨酯面漆的相容性了涂裝工藝的關(guān)鍵，也決定了配套涂層整體的帶銹防腐效果。其相容性測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 水性銹轉(zhuǎn)化底漆與水性丙烯酸聚氨酯面漆相容性測(cè)試結(jié)果

Table 6 Compatibility Test  Results of Waterborne Rust Conversion Primer and Waterborne Acrylic Polyurethane Topcoat

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比現(xiàn)水性銹轉(zhuǎn)化底漆與水性丙烯酸聚氨酯面漆具有良好的相容性，層間附著力優(yōu)異，遠(yuǎn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在刷涂、輥涂、和噴涂后無(wú)咬底、滲色、龜裂、脫落及起泡等現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)制備的水性帶銹防腐涂料可形成致密緊固的膜層，滿足項(xiàng)目工程的需求。

2.2銹轉(zhuǎn)化劑用量對(duì)銹轉(zhuǎn)化效果的影響

銹轉(zhuǎn)化劑是銹轉(zhuǎn)化底漆涂料的重要組成部分，影響了涂料的帶銹防腐性能。銹轉(zhuǎn)化劑用量過(guò)低會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)銹不完全，用量過(guò)高會(huì)有殘留的酸留在鋼鐵表面，導(dǎo)致表面進(jìn)一步腐蝕而影響防腐性能，因此選取合適的銹轉(zhuǎn)化劑及用量是銹轉(zhuǎn)化底漆的關(guān)鍵。

目前，常用的銹轉(zhuǎn)化劑有磷酸、亞鐵氰化鉀、單寧酸、植酸、草酸等以及有機(jī)胺類(lèi)產(chǎn)品如RC-980、SCH6817等^[3]。單寧酸、植酸等有機(jī)磷酸化合物作為銹轉(zhuǎn)化劑，與金屬絡(luò)合形成多個(gè)螯合環(huán)，而且絡(luò)合物穩(wěn)定性高，使活潑鐵銹轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化合物并與涂膜牢固結(jié)合，形成封閉的保護(hù)層。有機(jī)胺類(lèi)鐵銹轉(zhuǎn)化劑具有有機(jī)螯合配合物基質(zhì)，有效地將基底上的鐵銹轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的有機(jī)鐵絡(luò)合物，干燥之后，形成不可滲透的屏障。將有機(jī)磷酸化合物與有機(jī)胺類(lèi)銹轉(zhuǎn)化劑進(jìn)行復(fù)配既提高了銹轉(zhuǎn)化效果，同時(shí)也降低了配方成本。

本實(shí)驗(yàn)選用有機(jī)胺類(lèi)銹轉(zhuǎn)化劑A與單寧酸復(fù)配，成膜物含量為62%的條件下，改變鐵銹轉(zhuǎn)化劑[有機(jī)胺類(lèi)銹轉(zhuǎn)化劑A與單寧酸復(fù)配，m（有機(jī)胺類(lèi)銹轉(zhuǎn)化劑A）：m（單寧酸）=1:1]含量，制備帶銹涂料，測(cè)試涂料各項(xiàng)性能，結(jié)果見(jiàn)表7和圖1。

表7 銹轉(zhuǎn)化劑對(duì)底漆涂膜性能的影響

Table 7 Effect of Rust Transfer Agent on Properties of Primer Film

有圖1與表7可知，當(dāng)涂料中銹轉(zhuǎn)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí)，即可達(dá)到較佳的轉(zhuǎn)化效果，在標(biāo)注室溫25℃條件下，10min可轉(zhuǎn)化完全，得到的涂料涂膜呈黑色，涂膜均勻、平整、光滑、光澤度高，耐水浸泡可以達(dá)到96h，耐鹽霧性超過(guò)168h；繼續(xù)提高鐵銹轉(zhuǎn)化劑含量，酸性的鐵銹轉(zhuǎn)化劑導(dǎo)致乳液各項(xiàng)性能降低，涂膜性能劣化，因此鐵銹轉(zhuǎn)化劑用量宜為1.5%。

2.3防銹顏填料的選擇及用量的確定

磷酸鋅/鉬酸鹽復(fù)合物N水解出來(lái)的鋅離子和鐵離子形成難溶性絡(luò)合物沉淀Fe[Zn₃（PO₄）]，起到陰極保護(hù)作用。而鉬酸鹽的活性比磷酸鋅高，不但與鐵離子形成絡(luò)合物，起到陰極鈍化作用，而且產(chǎn)生的鉬酸根可以和鐵銹反應(yīng)生成雜多酸類(lèi)的絡(luò)合物，從而起到穩(wěn)定鐵銹的作用。改性三聚磷酸鋁中的三聚磷酸根離子能與各種金屬離子生成螯合物，在被涂物表面形成卓越的鈍化膜，對(duì)鋼鐵以及輕金屬等的腐蝕具有極強(qiáng)的抑制作用。云母粉的片狀結(jié)構(gòu)有效改善涂膜的一系列物理機(jī)械性能，涂料中加入絹云母粉做填料，其硬度和機(jī)械強(qiáng)度可明顯提高。通過(guò)正交試驗(yàn)考察水性丙烯酸乳液、磷酸鋅/鉬酸鹽復(fù)合物、改性三聚磷酸鋁及云母粉的用量對(duì)涂膜性能的影響。

2.3.1正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將水性丙烯酸多元醇分散體W+水分散型聚異氰酸酯D、磷酸鋅/鉬酸鹽復(fù)合物N、改性三聚磷酸鋁和云母粉等4總影響因素作為變量，每個(gè)因素取3個(gè)水平值，按L₉（3⁴）研究各因素用量對(duì)涂膜性能的影響。實(shí)驗(yàn)安排如表8所示。

表8 水性丙烯酸聚氨酯面漆的正交實(shí)驗(yàn)中各因素用量

Table 8 Factors and Dosages in the Orthogonal Test of Waterborne Acrylic Polyurethane Topcoat

2.3.2正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表9）

表9 水性丙烯酸聚氨酯面漆的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 9 Orthogonal Test Results of Waterborne Acrylic Polyurethane Topcoat

2.4銹層厚度對(duì)水性銹轉(zhuǎn)化底漆涂膜性能的影響

從表9看出，水性成膜樹(shù)脂的用量對(duì)涂層性能的影響.大，其次為防銹顏料N106和改性三聚磷酸鋁的用量，而云母粉的用量對(duì)涂層性能的影響.小。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水性樹(shù)脂用量為75，防銹顏料N106、改性三聚磷酸鋁、云母粉的用量分別為12、9和15（三者的質(zhì)量比為4:3:5）時(shí)，涂層的各種性能都達(dá)到.好，而且比較均衡，實(shí)現(xiàn)了涂層性能的.優(yōu)化。

對(duì)于涂料而言，基材的狀況對(duì)于涂膜性能具有非常大的影響，因此本文制備的水性帶銹底漆在無(wú)銹碳鋼板、銹蝕碳鋼板和帶銹熱鍍鋅板上進(jìn)行了耐水、耐鹽水和耐濕熱性能試驗(yàn)，結(jié)果如表10所示。銹層厚度按標(biāo)準(zhǔn)GB8923.1-2011中手工除銹St2去除浮銹后的鐵銹厚度，基材表面可見(jiàn)油脂和污垢，無(wú)附著不牢的鐵銹、氧化皮、舊涂層等附著物。

表10 銹層厚度對(duì)水性帶銹防腐配套涂層涂膜防腐性能的影響

Table 10 Effect of Rust Layer Thickness on Anti corrosion Performance of Waterborne Anti corrosive Coatings with Rust

3結(jié)語(yǔ)

由表10可知，銹蝕基材的銹層厚度對(duì)帶銹涂料涂膜的防腐性能具有很大的影響。當(dāng)涂料應(yīng)用于無(wú)銹鋼板時(shí)，由于涂膜中殘留的銹轉(zhuǎn)化劑能夠溶于水，使得涂膜具有一定的親水性，造成了帶銹涂料涂膜的防腐性能較差；而當(dāng)涂料應(yīng)用于40um以內(nèi)銹層時(shí)，銹轉(zhuǎn)化劑反應(yīng)較為充分，殘留量很少甚至沒(méi)有，帶銹防銹涂料涂膜防腐性能較好；銹層厚度繼續(xù)增加時(shí)，銹轉(zhuǎn)化劑的量難以將銹層完全轉(zhuǎn)化，因此涂料涂膜的防腐性能會(huì)下降。

本文制備一款水性銹轉(zhuǎn)化底漆與水性丙烯酸聚氨酯面漆配套防護(hù)涂層，該底漆以水性偏二氯乙烯乳液為成膜物，添加銹轉(zhuǎn)化劑及其它助劑配制而成，面漆選用水性丙烯酸乳液與異氰酸酯為主要成膜物，添加高性能防銹顏填料，具有獨(dú)特的轉(zhuǎn)銹、固銹、穩(wěn)銹等防腐性能，低VOC含量，安全環(huán)保。

對(duì)比了不同施工條件下涂層配套性，在刷涂、輥涂和噴涂后無(wú)咬底、滲色、龜裂、脫落及起泡等現(xiàn)象，滿足客戶施工要求。

分析了不同含量的銹轉(zhuǎn)化劑對(duì)底漆性能的影響，確定涂料中銹轉(zhuǎn)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，銹轉(zhuǎn)化效果.好且涂膜各項(xiàng)性能優(yōu)。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，確定了防腐顏填料及樹(shù)脂的用量對(duì)水性丙烯酸聚氨酯面漆常規(guī)性能，耐水、耐鹽霧等防腐性能的影響，提高了涂層的耐久性能。

基于.優(yōu)銹轉(zhuǎn)化效果（銹轉(zhuǎn)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%）的銹轉(zhuǎn)化底漆轉(zhuǎn)銹效果，確定了在銹層厚度≤40um條件下，銹轉(zhuǎn)化效果好。