水性环氧含硅聚氨酯防腐涂料的研制

      随着环保法规的日趋严格和石油资源的短缺，工业涂料的水性化趋势愈加强烈。之前，水性防腐涂料所采用的防腐颜料大多为铅系、铬系颜料，它们属于正在淘汰的有毒颜料； 而磷酸锌系无毒防锈颜料也有使用量大、影响漆膜综合性能的缺点。

      环氧树脂涂料固化后的漆膜具有硬度高，附着力强，电绝缘性好，耐水、耐化学品性能优异的特点，多作为防腐涂料的基料使用。但它也存在一些缺点，比如固化膜的柔性不够（脆性大），耐紫外线、抗黄变的性能不佳，价格较高和水性化困难等。针对这些问题，近年来，人们对环氧树脂进行改性，以提高其性能。其中，有效的改性方法是化学改性，即将两种或两种以上的物质通过化学键合作用结合在一起，使树脂既能兼具各自成分的优势，又不会出现分离的现象。聚氨酯具有良好的物理机械性能和优异的耐寒性、弹性、柔韧性和耐有机溶剂性，但其防腐性能相对较差。本文通过分子设计，将环氧树脂与聚氨酯树脂接枝聚合，得到水溶性聚氨酯改性环氧树脂（ WPU-EP），以此作为水性环氧聚氨酯防腐涂料配方中的基料，配合少量高效无毒的防腐颜料钛铁粉，制得性能良好的防腐涂料。

2 实验部分

2. 1 水性环氧聚氨酯树脂的制备

      先将计量的环氧树脂 E-44 用适量的 N–甲基吡咯烷酮溶解，转移到密封的三口烧瓶中，再加入准确计量的聚醚多元醇 N330、 二羟甲基丙酸、 异氰酸酯 PAPI、阻聚剂对苯二酚及余量的 N–甲基吡咯烷酮，在 80 °C的恒温油浴中加热，在 N2 气氛中反应 4 h；然后加入计量的异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷， 于 60 °C 下恒温反应 2 h；接着，将反应体系降温至室温，蒸出 N–甲基吡咯烷酮；最后，向树脂中滴加计量的三乙醇胺和去离子水，充分水溶后即可。

2. 2 防腐涂料配方与性能指标

2. 2. 1 水性防腐涂料的制备

      将颜填料、分散剂、去离子水和水溶性聚氨酯改性环氧树脂 WPU-EP 预混合， 然后研磨至细度<30 µm，加入配方中其它组分，充分混匀后得到防腐涂料产品。该涂料的配方和性能指标见表 1 和表 2。

2. 2. 2 涂膜的制备

      按 GB/T 1727–1992 方法，以马口铁片为底材，喷涂、刷涂或刮涂。

3 结果与讨论

3. 1 环氧树脂用量对涂膜力学性能的影响

      在水性聚氨酯改性环氧树脂的制备中，改变环氧树脂在树脂固体分中的含量得到一系列树脂，然后对其涂膜进行力学性能测试，结果如表 3 所示。

      表 3 表明，当环氧树脂的含量递增时，涂膜的硬度得以改善，而冲击性能和附着力在环氧树脂的含量超过 40%时有所降低。这是由于环氧树脂的刚性较大所致。考虑到环氧树脂的价格较高，其在树脂中的用量以 30%为宜。

3. 2 防腐颜料对涂膜性能的影响

      不同的防腐颜料具有不同的防腐机理（主要分为物理和化学防腐两种机理）。防腐颜料对防腐涂料性能的影响见表 4。

      表 4 表明，无毒的钛铁粉相对其它防腐颜料而言，具有较强的防腐蚀性能。这是因为铁钛粉具有物理防锈和化学防锈双重功能。其中，浅色粉可通过无水聚磷酸盐中的磷酸根与钢铁表面的铁原子生成不溶的固体磷酸铁络盐，从而隔绝水、氧、氯等对钢铁的腐蚀，起化学防锈作用。纳米级的铁钛粉表面能很高，易与其它原子相结合，增加了涂层的致密性和抗离子渗透性。黑色的载体粉本身与红丹结构相似，当用于钢铁表面时，还能提高与钢铁的亲和性。但其缺点是密度大，易沉降，应注意与防沉剂配合使用。目前使用的钛铁粉的粒度为 50 ~ 3 000 目， 相对密度 4.565，主要成分是钛铁的化合物。含一定量的铝、硅等金属的钛铁粉具有防腐效果好、 用量少、 价格适中、无毒的特点，可代替红丹粉、氧化铁红、云铁粉、三聚磷酸铝等防锈颜料，并可用于多种涂料防腐体系。

3. 3 基料树脂种类对涂膜性能的影响

      以 5%钛铁粉为防锈颜料，选用不同的基料树脂配制防腐涂料，研究树脂种类对防腐涂料性能的影响，实验结果见表 5。

      表 5 表明，以水溶性聚氨酯改性环氧树脂所制得的 WPU-EP 涂料性能较佳。这是因为参与共聚的异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷具有独特的交联成膜和防腐特性，可使涂料具有突出的机械稳定性、冻融稳定性、疏水性、成膜致密和较佳的附着力，故该涂料涂膜机械性能好，防腐性能和耐盐雾性能突出，综合性能较优。

4 结论

      (1) 环氧树脂 E44 与含硅聚氨酯树脂接枝共聚得到的水性聚氨酯改性环氧丙烯酸树脂 WPU-EP，结合了环氧树脂和聚氨酯二者的优点，具有优异的防腐和综合性能。 当环氧树脂 E44 在树脂中的质量分数为 30%时，涂料的综合性能达到最优。

      (2) 比起传统的氧化铁红和铬酸铅防锈颜料，选用钛铁粉和磷酸锌无毒防锈颜料的环保防腐涂料具有较好的防锈效果，且选用钛铁粉的防腐效果最好，用量最少。其 5%的用量可使该防腐涂料的防腐性能和机械性能处于最佳水平。