纳米改性工业防腐蚀涂料的研制与应用

晁宇，安云岐，沈亚郯，晁兵*
（江苏中矿大正表面工程技术有限公司，江苏 徐州 221008）

1 前言
大型钢结构的防腐蚀技术主要有两种：一种是以富锌底漆 + 环氧中间漆 + 各色面漆组成的3 层重防腐蚀涂料涂层体系(国外称为3-coat 涂层体系)；另一种就是以电弧喷涂锌、铝及其合金，外加有机封闭涂层的电弧喷涂复合涂层体系[1]。随着电弧喷涂技术和设备不断取得重大进展，电弧喷涂复合涂层技术已成为国内外大型钢结构防腐蚀工程的主流技术。随着大型钢结构设计寿命的延长(一般工程100 年，大型工程120 年以上)[2]，对电弧喷涂金属复合涂层，尤其是金属涂层的封闭漆、中间漆以及面漆，提出了更高的防护性能要求。
纳米粒子由于具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子效应等特殊性质，将其用于对传统涂料进行改性，可大大提高涂层性能，如渗透性、耐蚀性、自洁性、抗菌性、耐磨性和超耐候性等[3]。目前，国内基本上还没有高性能的环氧封闭漆、环氧云铁中间漆的研究及应用。本课题综合氟碳面漆和丙烯酸聚氨酯面漆的各自优势，开展了纳米改性含氟聚氨酯面漆的研究，取得了良好的效果。

2 试验
2. 1 主要原材料
环氧树脂(无锡光明)，含羟基聚丙烯酸酯(德国拜耳)，氟树脂、聚酰胺(徐州中研)，改性胺(深圳永康)，脂肪族聚异氰酸酯(法国罗地亚)，纳米氧化硅(江苏河海)，纳米氧化钛(日本石原)，纳米氧化铁红(浙江上虞)；市售分散剂DP-150、偶联剂KH-550、防沉剂CP-88、流平剂CF-1016、消泡剂CF-1028、云铁粉、颜填料以及二甲苯、正丁醇和丙二醇醚等。
2. 2 环氧基纳米浓缩浆的制备
2. 2. 1 配方
纳米改性环氧封闭漆制备工艺见文献[4-5]，其配方如下(以质量份数表示)：
环氧树脂 48
混合溶剂 34
无机纳米材料 20
分散剂DP-150 2
偶联剂KH-550 1.5
防沉剂CP-88 1.5
2. 2. 2 制备
按配方称取各组分，将混合溶剂[V(二甲苯)∶V(正丁醇)∶V(双缩水甘油醚)= 5∶4∶1]和树脂混合后，低速搅拌均匀，加入分散剂、防沉剂和偶联剂，均匀分散后加入无机纳米材料[m(纳米氧化硅)∶m(纳米氧化钛)∶m(纳米氧化铁红)= 2∶1∶2]，在1 000 r/min 的转速下搅拌5 min 后，使用高剪切乳化分散机在8 000 r/min 的转速下搅拌90 min，再用超声波分散机分散30 min，然后用砂磨机研磨分散180 min，过滤，制得纳米浓缩浆。中间漆用纳米浓缩浆制备材料及工艺同上；面漆用纳米浓缩浆制备时，将树脂材料换为含羟基聚丙烯酸酯和氟树脂，其他材料适当调整，制备工艺类似。
2. 3 改性涂料的制备
2. 3. 1 纳米改性环氧封闭漆配方(以质量份数表示)
(1) A 组分配方：
环氧树脂 40
混合溶剂 34
氧化铁红 7
钛白粉 4
填料(三聚磷酸铝) 4
分散剂DP-150 0.4
流平剂CF-1016 0.2
偶联剂KH-550 0.3
消泡剂CF-1028 0.1
环氧基纳米浓缩浆 10
(2) B 组分配方：
聚酰胺(低分子量) 19
改性胺 8
混合溶剂 13
2. 3. 2 A、B 组分的制备
(1) A 组分的制备：按以上配方中各组分质量份数称取物料，将树脂、混合溶剂[V(二甲苯)∶V(正丁醇)∶V(丙二醇醚)= 6∶3∶1]低速搅拌，分散均匀后加入分散剂、流平剂和消泡剂，混合分散均匀后，加入纳米浓缩浆，在高剪切乳化分散机中以8 000 r/min高速分散30 min，加入颜填料，再用高剪切乳化分散机以8 000 r/min 的速度高速分散30 min，再用砂磨机砂磨1 800 min，过滤，制得涂料A 组分。
(2) B 组分的制备：按配方将聚酰胺、改性胺与混合溶剂[V(二甲苯)∶V(正丁醇)= 8∶2]低速搅拌混合，过滤后即得。
2. 3. 3 封闭漆使用配比
按A m ∶ B m = 2.5∶1 混匀后静置10 ~ 20 min，即可使用。
2. 3. 4 中间漆使用配比
往A 组分中添加云铁成分，其制备工艺相同，使用配比为A m ∶ B m = 2∶0.3。
2. 3. 5 面漆制备
A、B 组分的制备工艺相同，但材料类别有变化，使用配比根据组分官能团─OH和─NCO按1∶1.1 的当量比确定，即两者的质量比一般为10∶(0.8 ~ 1.5)。
2. 4 复合涂层试板的制备
采用Q235 钢板(尺寸为120 mm × 50 mm × 3 mm)，双面喷砂除锈达到Sa2.5 以上级标准后，电弧喷涂铝涂层(150 ~ 200 μm)，用上述纳米改性环氧封闭漆涂装2 道(干膜厚度40 μm)，制成喷铝涂层 + 纳米改性环氧封闭漆复合涂层试样若干。在上述涂覆基础上，涂装2 道纳米改性云铁中间漆(干膜厚度80 μm)，然后喷涂纳米改性含氟聚氨酯面漆2 道(干膜厚度60 μm)，制得喷铝涂层 + 封闭漆 + 中间漆 + 面漆的纳米改性复合涂层试样若干。试样在室温下干燥7 d 后，进行涂层性能测试。
2. 5 性能测试
2. 5. 1 纳米浓缩浆中纳米粒子的分散性及稳定性测试
将纳米浓缩浆及涂料固化成漆膜后制成切片，采用日本JEOL 公司JEM-1230 型透射电子显微镜(TEM)观测，分析评价纳米粒子的分散效果；采用沉降法，将纳米浓缩浆置于透明玻璃试管中，室温静置30 d，定性考察其稳定性。
2. 5. 2 防腐蚀涂料中纳米粒子的分散性分析
将测试样品搅拌均匀，用吸管吸取1 mL 置于洁净的玻璃试管中，加入20 mL 溶剂稀释后，超声波分散15 min，用专用铜网载样，置于样品皿中自然干燥24 h后进行TEM 分析。