劉玉欣，張 紓，呂耀輝，魏世丞，孟 聲

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072;2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100022)

水性帶銹防銹涂料的研制

劉玉欣1，張 紓1，呂耀輝1，魏世丞1，孟 聲2

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072;2.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100022)

利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種水性帶銹防銹涂料配方，選擇乳液、三聚磷酸鋁、氧化鐵紅和緩沖液四個(gè)因素，通過(guò)極差分析討論了附著力、硬度和遮蓋力對(duì)涂層性能的影響，篩選出最優(yōu)涂料配方。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該配方涂層附著力達(dá)到3級(jí)、硬度6H、遮蓋力好、耐水性耐腐蝕性好，可帶銹施工，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

正交試驗(yàn);水性;帶銹;防銹涂料

引 言

金屬在大氣中受到氧、水分及其它物質(zhì)的腐蝕而生銹，不僅金屬外觀色澤及機(jī)械性能等受到破壞，更重要的是儀器及儀表等的精度和靈敏度均受損失，甚至?xí)?bào)廢，特別是鋼鐵材料的腐蝕與防護(hù)受到廣泛的重視。防銹防腐蝕最為經(jīng)濟(jì)和有效的方法就是采用涂料涂裝。涂漆前必須把底材上的鐵銹清除干凈，否則漆膜的防腐效果很差。涂漆前金屬表面預(yù)處理占整個(gè)涂裝工程總價(jià)的45%左右。本文研制的涂料省去除銹、除油、除水等表面處理工序，在一定的銹蝕表面上能直接施工，既可減少涂裝成本還可簡(jiǎn)化涂漆工藝，從而減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和減少銹塵對(duì)人體的危害和環(huán)境污染。20世紀(jì)60年代以來(lái)［1］，我國(guó)研制的有機(jī)溶劑型帶銹防銹涂料，品種單一，又含有大量的有機(jī)溶劑、鉛、鉻等顏料，毒性大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重?？朔軇┬蛶тP防腐蝕涂料的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)水性帶銹防銹涂料是目前研究帶銹防腐涂料的熱點(diǎn)。

水性帶銹涂料是采用具有特殊絡(luò)合作用的樹(shù)脂為基料，以水為分散介質(zhì)，添加多種防銹顏料和助劑，根據(jù)絡(luò)合反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)等配制而成。該類涂料無(wú)味、無(wú)毒、防火和耐高溫，是一般溶劑型涂料不可比擬的。它可直接施涂于有銹、帶有氧化皮及舊漆膜的鋼鐵表面作為底漆使用［2］。

本研究利用正交試驗(yàn)研制一種水性轉(zhuǎn)化型帶銹涂料。該涂料以自制硅丙乳液為成膜物，以氧化鐵紅、亞硝酸鈉、三聚磷酸鋁和磷酸鋅為防銹顏料，添加緩沖液及其它助劑而制成。由于組分較多，影響涂層性能的因素較多，所以采用正交試驗(yàn)確定涂料的最優(yōu)配方。正交試驗(yàn)是多因素實(shí)驗(yàn)中選擇較優(yōu)方案的一種有效方法［3］，將它應(yīng)用于涂料配方設(shè)計(jì)中，具有試驗(yàn)次數(shù)少、效果好的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂料配方

本實(shí)驗(yàn)水性帶銹防銹涂料包括硅丙乳液、防銹顏料、轉(zhuǎn)化劑及助劑等成分。硅丙乳液的組成為19.2%甲基丙烯酸甲酯，21.1%丙烯酸丁酯，1.9%丙烯酸，2.7%乙烯基三乙氧基硅烷，1.9%乳化劑，0.2%過(guò)硫酸鉀和53.0%去離子水。水性涂料配方見(jiàn)表1。

表1 涂料配方

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 涂膜的制備

參照GB1727-92漆膜一般制備法要求，選擇120 mm×50 mm馬口鐵作為測(cè)試用試板。無(wú)需對(duì)測(cè)試板進(jìn)行較多表面處理，清除浮銹即可。

參照GB1727-92漆膜一般制備法與GB9152-88建筑涂料涂層試板的制備要求進(jìn)行涂布。涂料采用刷涂法涂膜兩道，第一道涂布ρA為(150±20)g/m2(按55%固體分的涂料計(jì)算);第二道涂布ρA為(100±20)g/m2(若涂料的固體分不是55%，可換算成等量的成膜物質(zhì)進(jìn)行涂布)。施涂t間隔為4 h，末道涂層完成后使樣板涂漆面向上，于θ為(23±2)℃，RH為(50±5)%的條件下干燥7 d。

1.2.2 涂料涂層的測(cè)試

1)干燥時(shí)間。按常規(guī)方法測(cè)定表干和實(shí)干時(shí)間。

2)附著力。使用QFZ-Ⅱ型附著力試驗(yàn)儀，采用劃圈法，按照GB9152標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)。

3)耐水性和耐鹽水性。按照GB/T10834船舶漆耐鹽水性的測(cè)定，鹽水和熱鹽水浸泡法測(cè)定。

4)硬度。根據(jù)GB/T6739-1996漆膜硬度鉛筆測(cè)定法測(cè)定漆膜硬度。

5)遮蓋力。按GB/T1726測(cè)定遮蓋力。

6)沖擊強(qiáng)度。按GB/T1732測(cè)定沖擊強(qiáng)度。

7)中性鹽霧試驗(yàn)。將試片放入鹽霧箱中，按照GB/T1771規(guī)定方法測(cè)定。試驗(yàn)采用連續(xù)噴霧8 h停16 h為一周期，總t為240 h。

2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

由于影響涂層硬度、附著力和耐腐蝕性等性能的主要因素是成膜物、防銹顏料和緩蝕液，因此為了提高帶銹涂料的性能，改善涂層的硬度、附著力、遮蓋力及耐腐蝕性，在保持其余組分不變，只改變?nèi)橐骸⑷哿姿徜X、氧化鐵紅和緩沖液四個(gè)因素三水平正交試驗(yàn)，進(jìn)行極差分析篩選最優(yōu)涂料配方［4］。

2.1 正交試驗(yàn)方案及分析

選用L9(34)正交試驗(yàn)表，進(jìn)行九組試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案及分析如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析計(jì)算，即計(jì)算Ⅰ和R值，Ⅰ代表某一水平三次組合配方的三次試驗(yàn)結(jié)果之和，Ⅰ/3為三次試驗(yàn)結(jié)果之和的平均值。R值為極差，表示某因素水平的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的最大差數(shù)。

2.2 各因素對(duì)涂層硬度的影響

硬度代表涂膜抵抗碰撞、壓痕或劃傷等機(jī)械力作用的能力。各因素對(duì)涂層硬度的影響如圖1所示。

1)當(dāng)w(硅丙乳液)為50% ～60%時(shí)涂層的硬度高。超過(guò)該質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，涂層中基料過(guò)多，影響涂層強(qiáng)度，硬度下降。

2)當(dāng)w(三聚磷酸鋁)為9%時(shí)涂層硬度較高，低于該質(zhì)量分?jǐn)?shù)涂層硬度明顯降低。

3)w(氧化鐵紅)為20%時(shí)涂層硬度最高。

4)隨著緩沖液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂層的硬度先降低后增加。當(dāng)w(緩沖液)為0.1%和0.5%時(shí)，涂層硬度最高。在只考慮硬度的情況下，根據(jù)分析可知:w(硅丙乳液)為50%和60%，w(三聚磷酸鋁)為9%，w(氧化鐵紅)為20%，w(緩沖液)為0.1%和0.5%時(shí)，涂層的硬度最佳。

圖1 各因素對(duì)涂層硬度的影響

2.3 各因素對(duì)涂層附著力的影響

附著力是涂層與被涂面之間(通過(guò)物理和化學(xué)作用)結(jié)合的牢固程度。各因素對(duì)涂層附著力的影響見(jiàn)圖2。

圖2 各因素對(duì)涂層附著力的影響

1)隨著硅丙乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂層的附著力增加，當(dāng)w(硅丙乳液)為55%和60%時(shí)，涂層的附著力較好。

2)w(三聚磷酸鋁)為7%和9%時(shí)，涂層的附著力最好。三聚磷酸鋁在帶銹防銹涂料中起穩(wěn)定劑的作用。三聚磷酸鋁在涂層下溶解析出的三聚磷酸根具有很好的化學(xué)活性，能與鐵離子進(jìn)行絡(luò)合，與鐵銹反應(yīng)生成五員環(huán)三聚磷酸鐵螯合物，牢固的附著在金屬表面，使涂層和螯合物結(jié)合在一起，形成穩(wěn)定的金屬保護(hù)層。

3)當(dāng)w(氧化鐵紅)為12%和20%時(shí)，涂層的附著力好。

4)w(緩沖液)為0.1%和0.5%時(shí)，涂層附著力較好。緩沖液作為中和助劑，在水性帶銹防銹涂料中表現(xiàn)出特殊的性能，具有較寬的酸堿緩沖范圍，可有效控制pH，降低對(duì)基體金屬的腐蝕。

在只考慮附著力的情況下，根據(jù)分析可知:w(硅丙乳液)為55%和60%，w(三聚磷酸鋁)為7%和9%，w(氧化鐵紅)為12%和20%，w(緩沖液)為0.1%和0.5%時(shí)，涂層的附著力最佳。

2.4 各因素對(duì)涂層遮蓋力的影響

遮蓋力是涂料消除基體材料的顏色或顏色差異的能力。各因素對(duì)涂層遮蓋力的影響如圖3所示。

1)當(dāng)w(硅丙乳液)為50%時(shí)涂層的遮蓋力最好。

2)隨著w(三聚磷酸鋁)的增加涂層的遮蓋力增加，當(dāng)w(三聚磷酸鋁)為9%時(shí)涂層遮蓋力最好。

3)當(dāng)w(氧化鐵紅)為12%時(shí)涂層的遮蓋力好。氧化鐵紅作為物理防銹顏料，可以提高涂層的致密度，降低可滲性，具有較好的著色力和遮蓋力，制得的涂層致密，屏蔽作用好。

4)w(緩沖液)為0.5%時(shí)涂層的遮蓋力最好。

在只考慮遮蓋力的情況下，根據(jù)分析可知:w(硅丙乳液)為 50%，w(三聚磷酸鋁)為 9%，w(氧化鐵紅)為12%，w(緩沖液)為0.5%時(shí)，涂層的遮蓋力最佳。

圖3 各因素對(duì)涂層遮蓋力的影響

2.5 最優(yōu)涂料配方

根據(jù)多指標(biāo)正交試驗(yàn)極差分析的綜合平衡法［5-6］，綜合分析以上各影響因素以及涂層測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，篩選出最優(yōu)涂料配方如表3。

表3 最優(yōu)涂料配方

由表3優(yōu)選配方配制涂料并進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如表4。

表4 涂層性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

1)利用正交試驗(yàn)和極差分析可解決涂料配方組分較多及影響因素復(fù)雜等問(wèn)題，用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)即可篩選出性能優(yōu)良的涂料配方。

2)本實(shí)驗(yàn)研制的水性帶銹防銹涂料工藝簡(jiǎn)便，涂膜具有較好的附著力、硬度、遮蓋力、耐水性和耐鹽霧性，并且干燥快、涂裝前不用徹底清除表面浮銹、施工方便。

3)該涂料成膜物為硅丙乳液，可用水做稀釋劑、不含有機(jī)揮發(fā)性溶劑，因此不污染環(huán)境、符合環(huán)保要求，有一定的應(yīng)用前景。

［1］趙紅軍，田金承.新型水性帶銹防腐涂料的研制［J］.中國(guó)科技信息，2005，(10):12.

［2］胡文閣，彭冰.帶銹涂料的應(yīng)用及發(fā)展前景［J］.涂料工業(yè)，2001，(8):34-37.

［3］劉艷，段新廣.正交試驗(yàn)在水性帶銹涂料配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2008，11(6):13-15.

［4］苑玉鳳.正交試驗(yàn)結(jié)果的分析［J］.統(tǒng)計(jì)與決策，2006，(3):137-139.

［5］易翔，郭賢烙，楊輝瓊.水性帶銹涂料的研制［J］.電鍍與涂飾，2002，21(2):25-27.

［6］蘇均和.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［M］.上海:上海財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社，2005:101-104.

Development of on Agueous Anti-Rust paint for Rusty Surface

LIU YU-xin1，ZHANG Shu1，Lü Yao-hui1，WEI Shi-cheng1，MENG Sheng2
(1.National Key Laboratory for Remanufacturing，Academy of Armored Forces Engineering，Beijing 100072，China;2.College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China)

A formulation of agueous anti-rust paint for rusty surface was designed through orthogonalexperiment.Emulsion，aluminum tripolyphosphate，ferric oxide and buffer solution were selected as factors.Effects of adhesive force，rigidity and covering power upon coating properties were discussed by range analysis，then the optimum formulation was selected out.Results showed that the adhesive force was up to 3 grade，rigidity was 6H，covering power，water resistance and corrosion resistance were also good.This paint could be coated on rusty surface directly，and had good application prospects.

orthogonal experiment;waterbase;rusty surface;anti-rust paint

TQ630.7

A

1001-3849(2011)09-0008-05

2011-04-18