无溶剂环氧饮水管路防腐涂料的制备及性能研究
□ 岳跃法，方倩，阮景阳，张善贵，郭常青，杨凯
(海洋化工研究院有限公司海洋涂料国家重点实验室，山东青岛 266071)
0 前言
城市饮用水管路和远距离输配水管道，多以铸铁、不锈钢、钢筋混凝土等构制而成，为保证输水质量和效率，其内壁需要做有效的防护处理，由于这些输配水管线使用寿命要求50 a以上，因此采用的防护涂料必须具有长效的防护功能。国外发达国家早在20世纪80年代就已采用无毒涂料对饮用水管道内壁进行防腐蚀处理。目前，德国、英国、美国、日本等国家已普遍将无毒涂料作为给水设施的内防腐蚀涂料[1]；国内输配水管路内壁防腐保护涂料大多采用溶剂型或高固体分环氧树脂类涂料[2-5]，该类涂料干燥固化后溶剂难以挥发完全，易造成输配水污染，且随着环保法规的日益严格，溶剂型涂料的应用逐步受到限制。因此，低VOC或零VOC排放的无溶剂环氧重防腐涂料日益受到重视。本文介绍了一种无溶剂环氧饮水管路防腐涂料，该涂料无溶剂无毒，符合环保要求，其卫生理化性能符合《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》(2001)规定，涂料施工后涂层平整光亮，摩擦系数低，输水效率高，可广泛应用于城市饮用水管路和远距离输配水管道的内壁防腐保护。
1 试验部分
1.1 试验原材料和设备
环氧树脂(E-51、E-54)、改性胺固化剂、增韧树脂、钛白粉(R930)、水合氧化铁红、磷酸锌、重晶石、滑石粉、有机膨润土等。
高速分散机、砂磨机或三辊机、刮板细度计、美国DeFelsko附着力测定仪、JM-V磨耗仪、CC-1000XP型盐雾箱、WD7-0.1高低温恒温实验箱、QBY-Ⅱ摆杆漆膜硬度计等。
1.2 饮水管路防腐涂料配方
饮水管路防腐涂料配方见表1。
2.2 耐溶剂性能试验
2.3 毒性及卫生理化性试验
1.3 制备工艺
A组分制备工艺：按配方比例称取原材料于调漆罐中，搅拌均匀后，用三辊机或砂磨机研磨至细度合格后，搅拌、过滤、包装即得A组分。其工艺流程如图1。
B组分制备工艺：按比例称取所需原材料于调漆罐中，搅拌均匀后，过滤、包装即可。其工艺流程如图2。
2 涂料的技术性能
2.1 常规性能指标
以相应的检测标准为依据，对涂料的常规性能进行了测试，结果如表2所示。从表2中的性能指标可以看出，无溶剂环氧饮水管路涂料固体含量高、涂层耐磨、附着力好，满足重防腐要求。
2.2 耐溶剂性能试验
将涂料A、B组分按规定比例混合均匀，制成厚度400～500 μm(二道涂层)的样板，完全固化7 d后，分别放入油、水、碱等溶剂介质中浸泡，试验结果见表3。
由表3的试验结果得知，该涂料耐碱、水(盐水、自来水、蒸馏水)及石油制品等溶剂性能优异。
2.3.1 急性毒性试验
依据中国《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》(2001)规定要求，将涂料在玻璃板上制成100 mm×100 mm的双面样板，表面积共计400 cm2，完全浸泡于400 mL配制的浸泡水中，涂层面积与浸泡水容积比为1 000 cm2/L，24 h后取浸泡液让禁食14 h、体重18～22 g、SPF级昆明种雌、雄小白鼠各10只自由饮水。试验表明：该涂料浸泡液对小鼠雌、雄性经口LD50均大于5 000 mg/kg体重，为实际无毒物[6]。
2.3.2 卫生理化指标
按照GB 9686—1988《食品容器内壁聚酰胺环氧树脂涂料卫生标准》测试涂膜的主要卫生理化性能，结果见表4。
从表4可以看出，无溶剂环氧饮水管路防腐涂料的蒸发残渣、高锰酸钾消耗量及重金属含量均小于国家规定指标，符合《食品容器内壁聚酰胺环氧树脂涂料卫生标准》的要求[6]。
3 配方设计及分析
3.1 环氧树脂的选择
由于环氧树脂与胺类固化剂固化后的涂膜无毒，因此在要求无毒的场合，国内外大多采用环氧树脂体系涂料[7-8]。本研究采用低黏度低分子量的环氧树脂(如E-51、E-54等)作为涂料的主成膜树脂，与含有环氧活性官能团的增韧树脂搭配使用，制备无溶剂环氧涂料。E-51、E-54环氧树脂相对分子质量小、黏度低，其颜填料承载能力强，不仅能降低涂料成本，而且成膜时交联密度大，能够形成三维网状高分子涂膜，具有很好的干燥性及防腐蚀性[4]，而增韧树脂能赋予涂膜较好的柔韧性。试验表明，E-51、E-54环氧树脂与分子中含有环氧活性官能团的增韧树脂搭配使用，可获得机械性能优良的涂膜。
3.2 固化剂的选择
国内用于食品及饮用水等容器的内壁涂料，大多采用聚酰胺、脂肪族多胺等作为涂料的固化剂，这些固化剂可制成浅色涂料，但涂料的防护性能差，使用寿命短，而且有些涂料对浸泡水的水质有影响[9]。用芳胺作固化剂的双组分无溶剂涂料，由于芳胺变色严重[10]，因此大都做成深颜色涂料，例如：瑞士的Obrit涂料、德国的Munkadur涂料、日本的NE508涂料等[8]，由于这类涂料颜色深，其应用领域受到了一定的限制。本研究选择了复合改性脂肪胺类固化剂，该固化剂既具有聚酰胺固化剂的长期可操作性，又可制成浅色涂料，满足各种无毒场合的使用要求。
3.3 颜填料的选择
颜填料的选择及合理配置对涂料性能来说至关重要。对于饮用水管路内壁涂料，除了要求防腐保护和减阻外，所选择的颜填料，还需要符合饮用水的规范要求。因此，我们依据国家卫生部2007年印发的《涉及饮用水卫生安全产品分类目录》的通知要求进行颜填料的选择。本研究选用耐水性和防锈性好的水合氧化铁红或具有优良遮盖力的金红石型钛白粉、吸油量低的沉淀硫酸钡、触变性好的二氧化硅和无毒防锈力强的磷酸锌等作为涂料的颜填料。
3.4 助剂的选择
由于研制的涂料属无溶剂体系，涂料的黏度大，施工后涂层表面易产生针眼、缩孔等弊病，尤其是厚涂时该类现象更为明显。在其中加入适量的环氧稀释剂可以降低固化体系黏度，增加流动性，延长使用寿命，便于大面积施工；加入适量的润湿分散剂，可使颜填料分散均匀，降低涂料的黏度，提高涂料的附着力，改善涂层表面的光泽；加入适量的流平剂，可有效地降低涂料的表面张力，减少因表面张力梯度差而引起的涂膜弊病，提高涂料的流平性；加入适量的消泡剂，可起到抑泡、消泡的作用，消除涂膜的缩孔、鱼眼等缺陷。经过试验，在涂料中添加了占涂料质量分数5%的环氧稀释剂、0.5%的润湿分散剂、0.3%的流平剂、0.5%的消泡剂，涂膜外观良好。
4 施工工艺
4 施工工艺
4.1 基材处理
金属基材需喷砂除锈达到ISO标准Sa2.5级或手工除锈达到St3级，然后用吸尘器或高压空气除净表面；非金属基材需除净表面的粉尘、油污。
4.2 喷涂方法
涂料A、B组分按比例混合均匀并熟化10 min后，采用高压无空气喷涂设备喷涂二道，间隔时间3～4h[(23±2) ℃]，涂膜厚度控制在400～500 μm。
4.3 注意事项
(1)基材除锈、除垢必须，涂前保持基材表面干燥，清洁；
(2)喷涂时基材表面温度应高于露点温度3 ℃以上，且空气温度在5～35 ℃，相对湿度RH＜80%；(3)常温下[(23±2) ℃]涂膜施工7 d后，才能投入使用。
5 应用
2010年上海新换城市饮用水管路、2011年四川汶川新城城市饮用水管路等，皆采用该涂料对饮用水管道内壁进行了防护，见图3。使用至今，涂层完好无损，均未发现起泡、脱落现象。
6 结语
(1)饮用水管路内壁无毒防腐涂料的制备工艺简单，卫生理化性能符合《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全性评价规范》(2001)的要求。
(2)饮用水管路内壁无毒防腐涂料为无溶剂涂料，在生产和施工过程对环境无污染，属于绿色环保产品。该涂料一次施工成膜较厚，且涂膜坚硬耐磨、平整光亮，可广泛应用于城市饮用水管路、远距离输配水管道以及水塔、蓄水池、贮水罐等与饮用水接触的设备内壁的防腐保护。
