水性丙烯酸防腐涂料的制备及其应用

近年来，人们自使用溶剂型涂料的过程中向大气排放了大量的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compound,VOC），造成了严重的大气污染，破坏了生态环境。因此随着环保压力日趋严苛，采用环保型涂料代替溶剂型涂料已经迫在眉睫。水性涂料因其较低的VOC优势被人们所重视。如今，在集装箱领域，水性涂料替代油性涂料正在稳步推进。但是相对于溶剂型涂料，水性涂料的防腐性能较差，尤其是水性丙烯酸涂料，需要提高其防腐性能来应对恶劣的腐蚀环境。

通过对水性丙烯酸涂料的防腐性能进行研究，制备出一款具有良好防腐性能的水性丙烯酸涂料，并在集装箱领域得到成功应用。

1、试验部分

1.1原料和仪器

原料：消泡剂，Tego;分散剂BYK;水性丙烯酸树脂，巴德富；基材润湿剂，Tego;流平剂，Tego；触变剂，DOW;防霉剂，伊士曼；杀菌剂，DOW;成膜助剂，DOW;蒸馏水，自制；防闪锈助剂，普为。

仪器：细度板，天津市精科材料；高速分散机，德国VNA-GETZMANN公司；膜厚仪，德国尼克斯；光泽仪，德国BYK公司；色差仪，上海一恒科学仪器有限公司；QUV加速老化试验箱，美国Q-LAB;盐雾箱，美国实验室产品；天平，德国赛多利斯。

1.2水性丙烯酸涂料的配方

水性丙烯酸涂料的配方如图1所示。

表1 水性丙烯酸涂料的配方

Table 1 The formula of waterborne acrylic coatings

1.3性能指标

参照HG/T4758-2014《水性丙烯酸树脂涂料》标准的要求，对制得的水性丙烯酸涂料进行性能测试，结果如表2所示。

2、结果与讨论

2.1水性丙烯酸树脂的影响

树脂作为基本的成膜物质，对防腐涂料的防腐性能起着关键作用。在防腐领域，优质的树脂需要具备2个基本性能；一是较好的阻隔性能，可以阻隔水汽、氧气等腐蚀介质，防止金属介质的腐蚀；二是树脂与金属基材之间有良好的附着力，防止涂层从金属基材表面脱落，从而失去防护性能。丙烯酸树脂通常由（甲基）丙烯酸和（甲基）丙烯酸酯类单体在水介质中聚合制得，如图1所示。但是与双组分环氧树脂相比，单组分丙烯酸树脂防腐性能较差。目前可以通过两种方法来提高其防腐性能；一是采用具有核壳结构的乳液，将防护性能优良、玻璃化转变温度较高的部分置于核部分，从而使树脂兼具阻隔和附着的能力；二是采用具有交联结构的乳液，在施工后漆膜可以进行适当的交联，从而提升防腐性能。本研究中选用的水性丙烯酸树脂是一种苯丙共聚物乳液，苯乙烯含量低，可避免因苯乙烯含量较高而引起的附着力和柔韧性欠佳、耐冲击效果略差的问题，以确保其具有良好的保光保色性和抗粉化的能力。乳液的.低成膜温度较低，有良好的附着力以及与普通防锈颜料的配伍性，赋予涂膜良好的耐腐蚀性和耐溶剂性能。

表2 水性丙烯酸涂料的性能

Table 2 Performances of waterborne acrylic paint

2.2填料的影响

填料主要从物理和化学两个方面来改善涂料的防腐性能。与硫酸钡相比，滑石粉、云母粉等片状填料能更好地提供阻隔性能，减缓腐蚀介质对基材的腐蚀。但是滑石粉和云母粉的加入对面漆的光泽会有影响，因此，需要根据具体需求选择填料的种类以及添加量，磷酸锌等填料虽然能够通过与金属基材的反应，使金属钝化，进而提高其防腐性能，但是这样会降低水性丙烯酸树脂的稳定性，这是因为磷酸锌等填料的加入会产生Zn²⁺进而破坏乳液的稳定性，因此在选择磷酸锌时，还需要考察对其乳液稳定性的影响。另一类非常重要的填料是纳米填料，如纳米二氧化钛等。纳米粒子所具有的表面效应和小尺寸效应赋予其特殊的性质，将纳米粒子填充到涂料中来提高涂料的附着力，进而提高防腐性能。本研究中采用的填料微溶于水，为白色防锈颜料，在涂层下持续溶解时可电离出P₃O₁₀^5-，从而形成一种不溶的钝化膜，钝化膜的硬度高，附着力优异。通过将上述环境友好型的防锈颜料进行复合搭配，所得涂膜具有优异的防腐蚀效果。

2.3成膜助剂的影响

水性涂料的成膜方式与溶剂型涂料不同，主要是通过溶剂的蒸发，乳液粒子不断靠近后紧密排列，在挤压变形，.后成膜。在成膜时，借助成膜助剂将粒子进行溶胀，从而使不同粒子进行融合，形成致密的膜。成膜助剂的沸点通常较高，挥发速率较低。但若挥发速率过慢，则会影响漆膜的干燥速率。另外，成膜助剂的用量也非常重要，若用量过少，则影响成膜效率和成膜质量；若用量过多，则影响干燥速率同时增加VOC含量。因此成膜助剂的选择至关重要。在本研究中，所选的助溶剂的醇酯十二，它既是聚合物的强溶剂，能降低聚合物的玻璃化温度，同时又具有较好的相容性，易被树脂吸附而有优异的聚结性能，微弱的水溶性，优良的挥发速度，成膜前保留在聚合物中，成膜后能完全挥发。

3、应用

根据以上研究结果，按照表1配方研制出水性丙烯酸防腐面漆，按照集装箱产品配套的要求进行喷涂。具体配套工艺为：水性环氧富锌底漆（30um）+水性环氧中间漆（40um）+水性丙烯酸面漆（40um）；烘干工艺为：底漆（60℃，20min）+中间漆（55℃，30min）+面漆（70℃，20min）。施工完成后进行配套涂层的性能测试，结果见表3。

表3 水性集装箱配套涂层的性能

Table 3 Performances of waterborne container coating system

4、结语   集装箱涂料目前的主要难题：首先是在施工过程中，集装箱面积大，侧面垂直喷涂，当喷涂漆膜较厚时，容易产生流挂；其次在集装箱底漆、中涂和面漆施工过程中，必须对每一个涂装工序进行充分烘烤，加快干燥速度，却容易出现因涂膜表层和涂装本体的干燥速度不一致而导致的针孔、开裂、气泡等涂膜弊病。因此，为了保证更好的施工性能，对面漆的干燥性和流挂性能要求较高。本研究中的水性丙烯酸面漆产品在现场应用过程中，施工便利，干燥较快，漆膜表面较好，完全能够替代油性产品，在保证防腐性能的同时降低了VOC的排放。

通过对水性丙烯酸树脂、填料、成膜助剂等影响因素进行研究，选择了自交联核壳结构的苯丙乳液为成膜物，水解稳定性好、挥发性低的醇酯十二作为成膜助剂，并通过填料、防锈颜料的合理复配，制备出了兼具防腐性能和施工性能的水性丙烯酸涂料，并成功应用于集装箱防腐领域。