环氧富锌防腐涂料研究

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0  引  言   

' q6 c& `* t6 r/ M( n; E% d4 E- J   煤矿环境特点是阴暗、潮湿，还有煤尘、岩尘各种有害气体，井下设备腐蚀很快，采用防腐涂料进行防腐施工是防止井下设备腐蚀的重要手段之一。以环氧树脂为成膜物质的富锌底漆为防锈和防腐蚀涂料中的一种，因其锌粉对钢铁的电化学保护作用，富锌底漆又称电化学防锈漆，它是有机富锌底漆。富锌助剂的种类、用量不同条件下，最佳锌粉含量有待深入研究，为此本文通过改变涂膜中锌粉的含量，配制成五种富锌底漆，测量相应的涂料性能、涂膜物理机械性能及涂膜的耐腐蚀性能，并找出最佳的涂料配方。
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  @/ b8 j/ B3 h- a4 T1 试验材料   

9 ^6 _$ E4 B; d" @（1）防腐环氧富锌涂料材料
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+ f* R  [8 i& N) Z1 z   成膜物质：E-44〈6101〉环氧值： 0.40~0.47
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7 O% S- \0 j* i* {& t/ ]   颜料：锌粉、滑石粉

1 [" J: N; r5 B# N/ `   助剂：增韧剂（邻苯二甲酸二丁酯）、固化剂（T31）
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& \. D* w: U( u8 z   溶剂：丙酮    （2）被涂基体材料     长、宽、厚（100×25×3）mm3的A3钢   

6 w: V: G! y; W( J" @（3）辅助材料 脱漆剂（二氯甲烷）、脱脂剂（丙酮）、酸洗液（500 ml、20%的硫酸+5g硫脲）
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2  试验参数

   的含量，使其在涂膜中的含量分别占到70%、80%、85%、90%、95%，引起E-44、丙酮含量的变化，得到五种不同配方的涂料见表1。
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3  试验方法   

; _! R* p+ t: ?) k$ [   流平性试验检测涂料的性能；通过遮盖力测试测量表干时间、实干时间；通过附着力试验、柔韧性试验、膜厚、耐磨性试验测量涂膜物理机械性能，通过盐雾试验测量涂膜耐腐蚀性能。上述试验分别按GB1750-79、GB1726-79等标准测定法进行。
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4  试验结果与分析

4.1  涂料的性能

   制涂料并对涂料性能进行测试，得到数据见表2。

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7 Y( i) e0 ?( h' }8 {4 k 对表2中各组数据表现出的差异，具体分析如下：

  （1）E-44、丙酮含量变化对涂料性能的影响

   流平性的影响因素主要是涂料本身的粘度，涂料的粘度取决于成膜物质与溶剂互溶成溶液的粘度。本次试验的五种配方选用的是同一种成膜物质和溶剂：E44、丙酮。因此，它们含量的变化对流平性的影响起着决定性的作用。配方5中，流平性能不合格，原因是丙酮和E44的含量最小（见表1），锌粉的含量特别多，导致涂料粘稠，流平性不合格。流平性评定的范围较宽，使配方1-4的流平性没有起更大的变化，因此，它们的流平性均合格，表现稳定。

/ _& l- L8 J* k4 k   表干时间由丙酮的含量决定的。丙酮作为一种溶剂，是一种沸点低，挥发速率快的物质。从配方1中丙酮含量41.86%降到配方5中丙酮含量7.75%，表干时间由20 min降到90 s。由此得出结论：丙酮的含量越少，涂料的表干时间就越短。
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: {1 O* w( X9 \& U* ?( S   实干时间不但受E-44、丙酮含量的影响，而且受到固化剂T31的影响。E-44含量由原来的13.95%下降到2.58%，下降了5.4倍。丙酮的含量也下降了5.4倍。这一趋势就决定了实干时间相应地缩短。从表2中可以看到，E-44、丙酮含量变化，会引起实干时间相应发生变化。T31作为一种固化剂在涂料中起到加快涂料干燥的作用，其含量由原来的2.62%下降到0.65%，只下降了4.1倍。对于成膜物质E-44而言，T31的含量增加了，这就加速了E-44的固化，大大促进了实干时间的缩短。
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8 k9 ]. E, v( F8 s, S2 t  （2）锌粉作为颜料对遮盖力的影响
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# p* {/ N, \& v: C   遮盖力的光学本质是颜料和存在其周围的介质的折射之差造成的。当颜料的折射率和基料的折射率相等，则涂料是透明的；当颜料的折射率大于基体的折射率时，就会出现遮盖力。两者的差值越大，则表现的遮盖力就越强。

   锌粉的折射率是2.02，环氧树脂的折射率是1.55，它们之间的差值是0.47，差值很大，因此以环氧树脂为成膜物质，以锌粉为颜料的富锌底漆具有很强的遮盖能力。表2所列配方遮盖力呈单调递减规律，这是由于配方1到配方5中，锌粉含量也呈递减的规律。涂料中含锌量的提高会使其遮盖力提高。
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   滑石粉作为体质颜料，是一种低遮盖力物质，少量加入会使一些锌粉粒子被空气包围，不被漆基润湿，反而提高了颜料的遮盖能力，并且增加涂层“质”感。
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( ]: e9 s8 z& e6 @. h1 v 4.2  涂膜的物理机械性能

   理机械性能是涂膜较重要的性能，测得数据见表3。
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0 w5 I% D5 n6 e   由表可知，配方1各项物理机械性能比其它配方好，配方2-4物理机械性能差异不大，性能比较好，而配方5各项性能陡然下降，与其它各组涂料涂膜的性能相差太大，数值上不呈现规律性变化，分析原因如下：

   E-44分子量较大，分子链长，分子链段多，柔顺性很强；E-44分子中极性部分多，使分子链相互缠结在一起，内摩擦大，不易活动，分子链间极性作用力大，致使链的刚性增大。因此，E-44本身就兼有柔顺性和刚性的双重特点。E-44作为五种配方配制的五种涂料的成膜物质，它本身的性质就决定了涂膜的性质，它含量的变化必然引起涂膜性能相应的变化。从配方1到配方5，E-44占干膜重量由24%下降2.8%，涂膜的物理机械性能也相应下降，见表3，柔韧性大体上呈现逐渐变差的规律。同样附着力、硬度、耐磨性也呈现这种规律。由此可以得出结论：环氧树脂含量降低会使涂膜的物理机械性能降低。从数据中可以看到这种规律：四种性能有着相互联系的规律，任何一种性能的好坏，对应着其它三种性能的好坏，这是因为E-44作为涂膜的成膜物质，本身的性质决定了物理机械性能。
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& {! ^( W6 {  o+ m0 i" a   配方5中各种性能陡然降低，没有呈现物理机械性能随环氧树脂E-44含量降低而逐渐降低的规律，这是由于成膜物质E-44含量低，加入颜料锌粉的量太大，造成颜料的使用量超过临界颜料体积浓度（cpvc），E-44不能均匀弥散地分布在涂膜中，把锌粉牢固附着在被涂试样表面，也就是不能完全成膜，造成涂膜的物理机械性能显著下降。

9 J8 d. g8 H% i0 a) J, S4.3  涂膜的耐腐蚀性能
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   行盐雾试验用于研究涂膜耐腐蚀性能，数据见表4。
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   涂膜的耐腐蚀性能是环氧富锌底漆最重要的性能，也是评定环氧富锌底漆的主要依据。表4数据中列出配方4各项性能均高于其它配方涂膜的性能，这就是由于锌粉的含量与涂膜性质共同决定的。

   涂料涂膜含锌量对耐腐蚀性能有影响，下面讨论锌粉的作用。
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  j0 x2 }8 M6 A. c- `3 {# @  （1）锌粉的牺牲阳极保护作用

. Q+ a; j: @, e7 m6 l6 k   环氧富锌底漆属于阳极性涂层，锌比铁在同样介质中的电位值负，更易被氧化，因此，锌涂层在保护钢铁时为阳极。盐雾试验中，在3%Nacl蒸汽中，锌涂层优先溶解，释放出的电流使金属结构阴极极化到保护电位而实现保护。这样，锌涂层达到保护金属的目的。
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  （2）富锌底漆对腐蚀介质的屏蔽作用
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3 P, {( d6 h, h   富锌底漆将试样全部涂覆干燥后，在试样的表面会形成一层坚固致密的连续性涂层，在涂层没有破裂的情况下，涂层能阻挡住腐蚀介质的渗透，保护试样在一个相当长的时间内避免与腐蚀介质接触，起到“屏蔽”作用。
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. ~& ^7 t! B! a% V3 H 配方1到配方4，涂膜中含锌量的变化引起了涂膜耐腐蚀性能的变化，含锌量升高，涂膜耐腐蚀性能提高。配方5中锌粉占干膜含量95%，高于配方4，其涂膜起泡时间、剥落时间、锈蚀时间均低于配方4的各项的时间。配方5的含锌量最高，耐腐蚀性能没有相应地达到最高，这是因为配方5的物理机械性能十分差，锌粉易脱落，不能充分保护基体，因此，涂膜耐蚀性能变差。

! B# m' m$ i9 y) F8 ^8 x/ ~' ^) j; l5 W5  结  论
/ ]) A( J% a4 {2 q: W7 x, t# R, K
+ R1 F% x4 B! ?7 s8 }   （1）涂料中E-44、丙酮含量减少，表干时间、实干时间变短，流平性降低，含锌量升高，遮盖力提高，含锌量74.38%的涂料性能最佳；
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0 w, h- S" s$ g   （2）环氧树脂含量升高，涂膜的物理机械性能升高。锌粉含量40.70%的涂料形成涂膜的物理机械性能最好，锌粉含量74.38%的涂料形成涂膜的物理机械性能较好；

   （3）涂膜耐腐蚀性能是评定环氧防腐富锌涂料性能的主要依据，涂膜耐腐蚀性随着含锌量提高而升高，但含锌量87.64%的涂料形成的涂膜物理机械性能差，导致其耐腐蚀性能下降。含锌量74.38%的涂料形成的涂膜耐腐蚀性能最好；
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6 O1 C1 c' c0 y   （4） 含锌量74.38%的涂料及其涂膜整体综合性能最高，此配方的涂料为最佳涂料.