新型水性氟碳防腐涂料的性能研究_晏高翔

实验考察了颜料体积浓度（PVC）对涂料耐盐雾性能的 影响，结果见图 5。由图 5 可知：随着 PVC 的增加，耐盐雾 性能先逐渐增高后逐步下降，当 PVC 在 25％～40％的范围 内，涂料耐盐雾性没有明显变化，。随着颜料的不断增多, 使得基料量占比下降，漆膜的附着力和封闭性下降，漆膜结
1.1 药品及Leabharlann Baidu器 1.1.1 药品
水性氟碳乳液（含氟丙烯酸），自制；WD-S-800 复合铁 钛粉，万达科技无锡有限公司；高岭土，宜都市三沐高岭土 有限公司； 分散剂、消泡剂、增稠剂、成膜剂、改性磷酸 锌、去离子水。 1.1.2 设备
QXG 线棒涂膜器，天津市精利材料试验机厂； SF 智能 型分散砂磨机控制仪，上海微特电机有限公司；刮板细度计， 天津永利达材料实验有限公司；KH-120 精密型盐水喷雾试 验机，上海荣珂检测仪器有限公司。 1.2 试验配方
水平级
1 2 3
表 2 因素水平表
因素
A
B
C
改性
涂料
氟碳
磷酸锌 pH 值
乳液
用量/%
用量/%
0
8
25
1
8.5
30
5
9
35
D 复合 铁钛粉 用量/%
15 20 25
编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 k1 k2 k3 R
表 3 正交试验及极差分析
因素水平级
A
B
C
D
A1
B1
C1
D1
实验配方如表 1
原料名称 改性磷酸锌 pH 调节剂 复合铁钛粉 水性氟碳乳液 分散剂 消泡剂
表 1 水性氟碳涂料实验配方
质量分数/%
原料名称
0～5
成膜助剂
0～5
增稠剂
10～35
杀菌剂
10～40
钛白粉
0.4
惰性体质填料
0.8
去离子水
质量分数/% 0.8 1.1～1.3 1～2 3～5 5～20 20～30
本文考查了复合铁钛粉质量分数对涂料耐盐雾性能的 影响，结果见选择基础配方：氟碳乳液 25%wt、改性磷酸锌 5%wt、pH 值为 8，改变复合铁钛粉的用量进行单因素实验。 实验考查了复合铁钛粉质量分数对涂料耐盐雾性能的影响，
结果见图 3。
840
780
720
660
600
540
15
20
25
30
35
复 合 铁 钛 粉 质 量 分 数 /%
由图 1 可以看出，随着水性氟碳树脂质量分数的增加， 涂料的耐盐雾性能先增加后逐步降低。当水性氟碳树脂质量 分数增加到一定程度后使得防腐颜料占比相对减少，从而导 致涂料耐盐雾性的降低。 2.3 防锈颜料体系的设计 2.3.1 防锈颜料的选择
在水性涂料中，防锈颜料在改善涂料的防腐性能中起到 重要作用。在涂料行业使用的防锈颜料中，红丹等防锈性能
A1
B2
C2
D2
A1
B3
C3
D3
A2
B1
C2
D3
A2
B2
C3
D1
A2
B3
C1
D2
A3
B1
C3
D2
A3
B2
C1
D3
A3
B3
C2
D1
1680 2112 1968 1512
1704 1536 1704 1560
1872 1608 1584 2184
560 704 656 504
568 512 568 520
800
600
400
200
0
A
B
C
D
防锈颜料的防腐性能
A-磷酸锌；B-改性磷酸锌；C-复合铁钛粉；D-改性磷酸锌与 复合铁钛粉
图 2 防锈颜料的选择
其防锈机理是：复合铁钛粉的主要成分是几种形态不同 的复合磷酸盐(不含铝、锌)，复合磷酸盐微溶于水后，磷酸 根在钢结构表面形成一层致密的磷化膜，这层磷化膜牢固地 附着在钢铁表面能够有效阻隔氧气、氯离子﹑水分子及其它 有害物质对钢铁表面的侵蚀；同时，通过对粉体颗粒表面处 理，使颜料与基料结合力增强，形成超常致密的漆膜，促进 了漆膜性能，从而达到物理防腐和化学防腐的双重效果。磷 酸锌防锈颜料主要是磷酸锌的二水化合物，化学式为 Zn3 （PO4）2。磷酸锌的折射率小，透明度高，是具有较好稳定 性的无毒防锈颜料。磷酸锌在涂层内部缓慢离解为磷酸离 子，缩合磷酸离子与金属表面反应，形成 Me–Zn–P2O5 的复 杂有黏性的化合物覆盖膜，或在金属表面使金属钝化。此外 锌离子也会形成难溶性络合物，起到一定的阴极保护作用， 阻止金属的进一步腐蚀。改性磷酸锌与磷酸锌的防锈机理基 本相同，只是由于改性磷酸锌比表面积更小，分散性更好， 其磷酸盐的组分比磷酸锌多，从而在普通磷酸锌的基础上加 强了颜料与漆膜的相容性和漆膜与基材的附着力[3]。因此通 过复合铁钛粉和改性磷酸锌两种特殊防锈颜料的配合，使得 涂料在钢结构表面的防腐性能大幅增强。 2.3.2 复合铁钛粉用量的影响
由图 4 可知随着改性磷酸锌质量分数的增加，涂料的耐
晏高翔：新型水性氟碳防腐涂料的性能研究
37
盐雾性逐渐提高。当改性磷酸锌质量分数增加到 3%，涂料 的耐盐雾性提高率有所趋缓。主要原因是当改性磷酸锌足够 在金属表面形成完整的化合物覆盖膜之后，继续增加改性磷 酸锌的用量对形成的化合物覆盖膜的影响不是很明显，而主 要依靠形成难溶性络合物提供阴极保护作用来提高防腐性 能，从而导致涂料的耐盐雾性提高率有所放缓。
摘 要：本文通过实验对水性氟碳防腐涂料的基料体系与颜料体系进行了筛选和用量的确定，对工艺和条 件进行了优化，并采用精密型盐水喷雾试验机对其进行防腐性能评价，结果表明在保证涂料的性能均符合 相应国家标准的情况下，氟碳乳液 25%wt、复合铁钛粉 25%wt、改性磷酸锌 25%wt、pH 值为 8 时其综合性 能最好，使得涂料的耐盐雾性达到 864 小时。 关键词：水性氟碳树脂；复合铁钛粉；改性磷酸锌；耐盐雾性
624 536 528 728
64
192 128 224
耐腐 盐雾性/h
672 408 600 816 360 528 624 768 480
通过正交表数据分析，极差 R4＞R2＞R3＞R1，复合铁 钛粉的用量对防腐性能的影响最大，涂料 pH 值对防腐性能 的影响次之，氟碳乳液用量的影响再次,改性磷酸锌用量的 影响最小，根据正交试验结果，选择 A3B1C1D3 方案为基础
进行单因素实验。 2.2 基料体系的设计
氟碳涂料是指以氟树脂为主要成膜物质的涂料。在各种 涂料之中，氟树脂涂料由于引入的氟元素电负性大，碳氟键 能强，具有特别优越的各项性能。耐候性、耐热性、耐低温 性、耐化学药品性，而且具有独特的不粘性和低磨擦性。经 过几十年的快速发展，氟涂料在建筑、化学工业、电器电子 工业、机械工业、航空航天产业、家庭用品的各个领域得到 广泛应用。成为继丙烯酸涂料、聚氨酯涂料、有机硅涂料等 高性能涂料之后，综合性能最高的涂料品种。从而，本文选 择水性氟碳乳液作为涂料的主要的成膜物质。此外乳液的用 量对涂料的性能影响很大，当乳液用量太少时，不能完全包 覆颜料颗粒，使得涂膜致密性和附着力差，从而导致耐水性 和防锈性低。当乳液用量过多时，会使得防腐颜料的占比相 对减少，涂料虽然具有较好的成膜性能，但防腐颜料颗粒之 间缺乏连续性，颜料在钢结构表面形成的钝化膜不够完整， 从而降低了涂料的防腐性能。
选择基础配方：氟碳乳液 25%wt、复合铁钛粉 25%wt、 pH 值为 8，改变改性磷酸锌的用量进行单因素实验。实验考 查了改性磷酸锌质量分数对涂料耐盐雾性能的影响，结果见 图 4。
840
800
耐盐雾性/h
760
720
680
0
1
2
3
4
5
改 性 磷 酸 锌 质 量 分 数 /%
图 4 改性磷酸锌对耐盐雾性的影响
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晏高翔：新型水性氟碳防腐涂料的性能研究
耐盐雾性/h 耐盐雾性/h
不错的传统颜料由于有毒，会污染环境危害健康，在很多国 家和地区已经限制或禁止使用。我们在新型的高效无毒防锈 颜料中进行筛选工作，不同的防锈颜料及其不同的搭配所产 生的防锈效果也不同，见图 2。因为单一防锈颜料的防腐性 能有限，经过多次试验，最终确定了改性磷酸锌和复合铁钛 粉搭配使用的复合型防锈颜料效果最好。
由于溶剂型涂料对于人类自身及生态环境的严重威胁 日益明显，绿色涂料代替溶剂型涂料成为必然。而水性涂料 具有经济、节能、环保和安全的特点，符合时代发展的要求。 由于腐蚀给金属材料造成的直接损失非常巨大。而钢铁占金 属使用量的 95％，而且其中 70％是在易生锈的大气中使用， 同时，腐蚀引起的环境污染破坏了生态平衡，危及着人类健 康。因此，钢铁的腐蚀防护具有非常重要的意义特别是在沿 海城市盐雾严重地区和酸雨及环境污染严重地区。而采用涂 料涂装防止金属腐蚀是应用最广泛、最有效、最经济的手段 [2]。本文以水性氟碳乳液为主要成膜物质，通过对配方和工 艺的研究，研制出无毒环保，性价比高，综合性能优异，而 且具有极高的防腐性能的新型水性氟碳防腐涂料。 1 实验部分
1.3 涂料及试样的制备 按配方称量药品，将分散剂等助剂和一定量去离子水加
入到电动分散机的搅拌罐中搅拌，低速搅拌约 20 分钟后， 依次加入水性氟碳乳液、复合铁钛粉、惰性体质填料、改性 磷酸锌，中速搅拌 30 分钟后将浆料砂磨至 50µm 以下，然后
向浆料中加入消泡剂、成膜助剂、增稠剂，充分搅拌后用去 离子水调节粘度，经 200 目滤网过滤，即得涂料样品。
图 3 复合铁钛粉对耐盐雾性的影响
从图 3 可以看出，随着复合铁钛粉的增加，涂料的耐盐 雾性能先逐步增加后降低，当复合铁钛粉增加到 25％～30 ％的范围，耐盐雾性没有明显变化。主要原因是当复合铁钛 粉的质量分数提高到一定程度，其形成的牢固地附着在钢铁 表面能够有效阻隔有害物质对钢铁表面侵蚀的磷化膜已经 达到相当致密的程度，继续增加复合铁钛粉的用量不但达不 到增强防腐性能的效果，反而由于颜料填料的增多导致基料 占比的下降漆膜的附着力和封闭性下降，水分和氧气等腐蚀 性物质能够很快穿透膜层，加快钢结构表面腐蚀，导致涂料 的防腐性能下降。 2.3.3 改性磷酸锌用量的影响
表 4 不同 pH 条件下涂料的耐盐雾性
复合铁钛粉 25%
涂料 pH 值
8
8.5
9
改性磷酸锌 5%
耐盐雾性/h
864
624
648
由表 4 可以看出，当涂料 pH 为 8 时，涂料的耐盐雾性 最高；当涂料 pH 值为 8.5 和 9 时，涂料的耐盐雾性较差。 由于涂料中存在一定数量的 M(H2PO4)2 及不溶性的 MHPO4（M 为二价金属离子），钢片与涂料的界面处，会发生以下反应： M(H2PO4)2 → MHPO4+H3PO4，当的 pH 值处于弱碱性条件下，反 应持续自左向右进行，生成 MHPO4，而 H3PO4 与钢片表面的铁 原子反应生成 Fe(H2PO4)2。这些不溶性的 MHPO4 在钢片表面 与 Fe(H2PO4)2 共同形成一层牢固的保护膜，使得涂料的耐盐 雾性大幅提高。由于氟碳乳液 pH 值接近 8，加酸降低 pH 值 会影响涂料的成膜效果，而当 pH 值继续升高钢铁表面的磷 酸盐形成的保护膜的稳定性将被破坏，从而使防腐性能降 低。 2.5 颜料体积浓度对耐盐雾性的影响
选择基础配方：复合铁钛粉 25%wt、改性磷酸锌 5%wt、 pH 值为 8，改变水性氟碳乳液的用量进行单因素实验。实验 考查了水性氟碳乳液质量分数对涂料耐盐雾性能的影响，结 果见图 1。
800
耐盐雾性/h
760
720
680
20
25
30
35
40
45
氟 碳 乳 液 质 量 分 数 /%
图 1 氟碳乳液对耐盐雾性的影响
2.4 涂料 pH 对耐盐雾性的影响 涂料的 pH 值对涂膜的成膜性及防腐颜料的附着力等有
关性能都有重要的影响,从而影响涂料的耐盐雾性，本文选 择基础配方：氟碳乳液 25%wt、复合铁钛粉 25%wt、改性磷 酸锌 5%wt。改变涂料 pH 值进行单因素实验。实验选用氨水 调节涂料的 pH 值，结果见表 4。
化学工程与装备
2013 年 第 6 期
3344
晏C高he翔mi：ca新l 型En水gi性ne氟er碳in防g 腐& 涂Eq料ui的pm性en能t 研究
2013 年 6 月
新型水性氟碳防腐涂料的性能研究
晏高翔
（湖北洋丰集团新洋丰肥业股份有限公司，湖北 荆门 448150） 晏高翔：新型水性氟碳防腐涂料的性能研究
按照 GB/T1771-91 标准在钢板上制作好试样，以备后续 实验所需。 2 结果与分析
晏高翔：新型水性氟碳防腐涂料的性能研究
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2.1 正交试验 本文选用复合铁钛粉和改性磷酸锌作为主要防腐颜料，
而氟碳乳液是主要成膜基料，而 pH 值则对涂料的成膜性能 及防腐颜料的防腐效果具有重要的影响。据此，本文选取改 性磷酸锌用量(A)、涂料 pH 值(B)、氟碳乳液用量(C)、复合 铁钛粉用量(D) 四个影响因素,设计 3 个水平级(见表 1)， 按正交试验 L9(34)表配方对涂料的耐盐雾性能进行了考察， 试验结果如表 3 所示。