0 引言
目前，钢结构建筑在世界上已经得到普遍的应用，在全世界超高层建筑中，纯钢结构建筑就占了55% 左右，国外60% 以上的高档住宅都采用了钢结构［1］。我国钢产量近几年一直居高不下，钢材的数量、质量、品种和规格也都有很大提高，为钢结构建筑的发展奠定了物质基础。然而每年因钢铁腐蚀造成的经济损失也很大，钢铁的腐蚀反应如下［2］：

人们通过各种方式来延缓钢铁的腐蚀速度，如改进基材、选用防腐蚀材料、增加金属镀层、添加缓蚀剂、采用电化学保护、涂刷防腐蚀涂料等，从而延长钢结构的使用寿命。目前常用的方法是采用防腐蚀涂料对钢结构进行保护，该方法不仅防腐效果好，而且施工方便，成本也低［3］。
目前市场上的防腐蚀涂料大部分为溶剂型双组分涂料。溶剂型涂料在生产及施工阶段，会有大量的溶剂释放到空气中，不仅危害施工人员的身体健康，而且造成环境污染［4］。而水性涂料却没有这方面的缺陷，因此开发水性防腐蚀涂料更具有现实意义。本文研制出一种水性富锌底漆，分析了不同的基料对该水性富锌底漆的影响，同时也考察了锌含量、防沉剂和固化剂的选择等因素对水性富锌底漆性能的影响。

1 实验部分
1.1 原材料
改性环氧树脂，自制；锌粉（500 目），江苏昆达锌业有限公司；环保型溶剂，自制；分散剂，上海泰格聚合物技术有限公司；气相SiO2，德固赛；有机膨润土，信阳市鑫鼎矿业有限公司；水性环氧固化剂，自制。
1.2 参考配方
水性环氧富锌底漆的参考配方见表1。

1.3 生产工艺
向带冷却装置的调漆罐中加入改性环氧树脂、环保型溶剂与分散剂，低速搅拌混合均匀；然后加入有机膨润土，高速分散15~20 min，随后加入锌粉，继续高速搅拌20~30 min，再加入气相SiO2，中速搅拌10~15 min，过滤，包装。
1.4 性能测试
常规性能测试：参照HG/T 3668—2009《富锌底漆》标准（如表2 所示）中的相关要求进行测试。
贮存稳定性测试：将水性环氧富锌底漆的A 组分装入广口玻璃瓶中，放入40℃的烘箱中贮存1 个月后，观察其分层、沉底及沉淀状态。

2 结果与讨论
2.1 基料的选择
作为富锌底漆的基料，首先要考虑其黏结力，是否能把防锈颜料黏结在一起；其次要考虑其附着力，是否能与底材通过物理/ 化学作用紧密地黏结在一起；后就是要能形成完整的涂层，减缓水汽对钢材的侵蚀，从而起到缓蚀防锈作用。一般而言，在锌粉发挥防腐作用的过程中会有碱性物质产生，所以作为富锌涂料的成膜物质必须有良好的抗皂化能力，否则会因为锌粉漆牺牲阳极的反应，使成膜物质发生化学反应而脱落。一般选用环氧树脂作为成膜物质。
现在市场上的水性环氧富锌防锈底漆多以三组分为主（乳液、固化剂、锌粉），主要是防止锌粉与水发生反应生成氢气。但这样的水性富锌底漆会给施工喷涂造成不便。锌粉如果没有混合分散均匀，那么不仅漆膜的外观会受到影响，同时漆膜的防腐蚀性能也会降低。
我们自制的改性环氧树脂在双酚A 环氧树脂中引入了部分亲水链段，使该树脂具有一定亲水性的同时，仍然具有双酚A 环氧树脂对金属底材的附着力。因它能与锌粉很好地混合，并且可以将锌粉预先分散在树脂中，这就避免了锌粉分散不均匀而带来的问题。因此通过改性环氧树脂制备的水性环氧富锌底漆无论在性能上，还是施工方便性方面都要优于三组分的水性环氧富锌底漆。
2.2 锌含量对漆膜防腐性能的影响
锌粉是一种具有很好的防锈性及耐大气侵蚀性的活性颜料，能对钢结构进行保护，其原因是锌的电极电位是-0.762 8 V，铁的电极电位是-0.409 V，当水分侵入涂膜后，锌粉与钢铁组成微电池，由于锌的电极电位比铁低，这时腐蚀电流就从锌流向铁，钢铁就受到了阴极保护［5］。同时锌粉被腐蚀而产生的锌盐可填充涂膜的孔隙，封闭涂层的损伤部位，保护下层的锌粒，延缓其腐蚀，进而保护钢铁表面。锌含量对漆膜性能的影响见表3。

由表3 可见：随着锌含量的增加，漆膜的耐盐水性和耐盐雾性都有明显改善，但是漆膜的附着力却有所下降。这是因为随着锌粉用量的增加，富锌底漆中的树脂含量降低，成膜物质相对减少，当达到某一临界点时，富锌底漆中的树脂不足以包覆所有的锌粉，从而不能形成连续致密的涂膜，导致漆膜的各项性能发生变化。漆膜的附着力和屏蔽作用减弱，则腐蚀介质会直接渗透到锌粉表面，使锌粉发生腐蚀，锌粉颗粒体积增大，从而使涂层起泡的可能性变大。腐蚀介质侵入涂层内部造成底材表面腐蚀，导致漆膜脱落。根据实验结果发现，当配方中的锌含量超过80% 时，漆膜的各项性能都有所下降。综合考虑，锌含量在75%~80% 为适宜。
2.3 防沉体系对水性富锌底漆贮存稳定性的影响
根据斯托克斯法则，颜料粒子的沉降速度与其粒径及两相密度差成正比，与分散体系的黏度成反比。可见只有减小颜料粒径、增大体系黏度才能降低颜料粒子的沉降速度，从而减缓沉降物的产生［6］。在水性环氧富锌底漆中加入75%~80% 的锌粉，这就使锌粉与树脂基料之间的密度差增大，很容易发生沉降，若长期贮存更会出现硬底结块现象，从而影响施工。为了防止此类现象的发生，选取有机膨润土与气相SiO2 作为水性环氧富锌底漆的防沉剂。表4 给出了在不同比例的防沉剂作用下，涂料的流平性及热贮存稳定性。
表4 防沉剂对涂料流平性与热贮存稳定性的影响

由表4 可见：不添加防沉剂时，锌粉很快发生沉淀，再经过热贮存后，锌粉生成硬沉淀，即使长期搅拌也无法再次分散。加入有机膨润土后，有机膨润土通过其薄片边缘的氢键相互连接而形成网状结构，使体系的黏度增大，减缓锌粉的沉降速度。有机膨润土用量过小，不能有效阻止锌粉沉降；若其用量过大，则会造成水性环氧富锌底漆的触变性太强，影响施工。所以通过加入适量的气相SiO2 来解决这一问题，因为气相SiO2 的分子结构中含有多个氢键，在涂料体系中极易形成三维的网状结构，这样不仅可以有效减缓锌粉沉降，并且为涂料提供了良好的流平性与抗流挂性。
2.4 固化剂对漆膜性能的影响
本实验研制的水性环氧富锌底漆，在漆膜性能上能达到溶剂型富锌底漆的水平，固化剂的选择较为关键。根据实验配方（锌粉用量约77%），选用自制固化剂与市售的2 种固化剂进行比较，结果见表5。

由表5 可见：固化剂对漆膜的耐腐蚀性有很大影响。通过对固化剂进行改性，引入亲水性的柔性链段，从而使其能稳定地分散在水中；再通过扩链反应，引入环氧树脂分子链段，以提高固化剂与环氧树脂的相容性，使固化剂具有自乳化的功能。同时自制固化剂含有稳定的苯环，可赋予漆膜优良的耐腐蚀性及耐水性。

3 水性环氧富锌底漆的性能
自制水性环氧富锌底漆与市售溶剂型环氧富锌底漆和水性环氧富锌底漆的性能对比见表6。由表6可见：自制水性环氧富锌底漆的性能达到或超过了同类产品。

4 结语
（1） 通过反复试验，水性环氧富锌底漆中添加的金属锌含量在75%~80% 时，可以保证漆膜有良好的防腐蚀性，经过1 000 h 的耐盐雾试验后，漆膜保持完好。
（2） 1.0% 有机膨润土与0.5% 气相二氧化硅配用，可有效解决水性环氧富锌底漆中锌粉沉降与结块的问题。
（3） 水性环氧富锌底漆的原材料易得，以水为溶剂，符合涂料工业的发展方向。通过与市售同类产品比较，自制的水性环氧富锌底漆在防腐蚀性能方面达到或超过了同类产品，性价比高，市场前景广阔，值得推广。