1 引言
进入20 世纪90 年代以来，世界涂料需求量以每年3％的速度递增，而涂料中的挥发性有机溶剂（VOC）涂装成膜后大量挥发，全世界每年向大气排放VOC 已达到20 Mt[1]。因此为了人类的健康安全，应大力发展水性、高固体分和粉末等环保型涂料。目前进展快的当属涂料水性化，在水性涂料中应用多的是丙烯酸酯类。丙烯酸酯乳液的研发成功为涂料水性化奠定了基础，其在使用中显示出以下的优良性能：防腐、耐碱、耐水、成膜性好、保色性佳、无污染等，并且容易配成施工性良好的涂料，涂装工作环境好，使用安全[2]。尤其是与水性环氧底漆或中层漆搭配的涂料系统在汽车、船舶乃至大型道桥建筑的钢结构上都可以起到重防腐的作用[3]。本研究以自由基聚合的基本理论为基础,合成水性丙烯酸酯基体树脂，并以此树脂为基础制备出水性防腐面漆，再搭配水性环氧底漆形成水性涂层系统，同时讨论影响其性能的主要因素。
2 试验部分
2.1 试验原料
EPON828 液体环氧树脂、α-甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯等单体以及颜填料均为市售工业级；乳化剂十二烷基硫酸钠为化学纯；非离子型自乳化水性环氧固化剂由华南理工大学制备并提供[4]；引发剂、分散剂及其他助剂均为分析纯。
2.2 分析测试
冲击强度按照GB/T 1732—1993 标准使用QCJ型涂膜冲击器测试；铅笔硬度按照GB/T 6739—1996方法使用BY 型铅笔硬度计测试；干燥时间按照FTMS141 方法4061.1 测试；附着力按照GB/T 9286—1998划格法进行测试；耐盐雾性与耐水性均按BMS10-83标准测试；贮存期为实测。
2.3 工艺路线
2.3.1 水性丙烯酸酯防腐面漆制备
水性丙烯酸酯防腐面漆制备流程见图1。
面漆配方见表1。
其中基料树脂合成工艺：在配有冷凝管、温度计、搅拌器和水浴加热装置的四口反应瓶中加入溶于水的乳化剂，搅拌并升温至70 ℃，加入引发剂与部分单体，根据回流与反应液黏度调整温度保证其反应平稳并稳定升温，待温度升至75 ℃后开始匀速滴加剩余单体，单体补加完毕后控制温度在80 ～ 85 ℃之间，持续反应2 h，结束反应，冷却出料。
2.3.2 水性环氧防腐底漆制备
将EPON828 液体环氧树脂与少量稀释剂混合均匀。将非离子型自乳化水性环氧固化剂与水加入高速搅拌机内搅匀，加入分散剂、消泡剂等，中速搅拌20min；然后加入磷酸锌、氧化铁红等防锈颜填料，高速搅拌至所需细度；加入防闪锈剂等助剂，搅拌10 min；用水调节黏度。其中液体环氧树脂与自乳化固化剂按环氧/胺氢为1/1 配制，占总质量分数的35%，其他成分大致配方见表2。
以上述制得的两种防腐涂料形成的水性环氧-丙烯酸酯涂层系统性能见表3。
水性面漆树脂配方的关键是选用单体，通过单体的组合来满足漆膜性能的技术要求。在本试验中，选用甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯作为软、硬单体，通过配比来调节树脂的硬度、柔韧性及耐候性等物理性能。本研究经多次试验发现当软、硬单体质量比为1.17 ∶ 1.00时，涂层光泽度高、附着力强且柔韧性好。
对乳液聚合来说，乳化剂浓度越大，胶束数目越多，按胶束机理生成的乳胶粒数也会越多，其粒径也会越小，因此在乳液聚合中必须严格控制乳化剂的用量，在保证良好乳化效果的情况下，乳化剂的用量应该是越少越好，这是为了保证粒径的尺寸以及均一性，如果加入过量的乳化剂会使发泡作用明显，影响基体树脂乃至整个涂层系统的力学性能[5]。因此确定乳液浓度为1%，乳化剂用量为单体树脂质量的0.2%。
本研究中水性丙烯酸树脂引发剂定为过硫酸盐。引发剂的用量对聚合反应有很大的影响，一般来说，引发剂的用量小，会使引发聚合非常困难；引发剂的用量越大，乳胶粒子越小。但引发剂用量过大，引发聚合太快反而会加速凝聚现象的发生，使乳胶粒子变大，甚至破坏乳液的稳定性，适宜的引发剂用量应为单体总量的0.3％～ 0.6％，本试验选择用量为0.4%。
反应温度是影响树脂性能的一个重要因素。反应温度低，反应缓慢，当温度低于75 ℃时，反应进行相当缓慢，且诱导期很长，产品相对分子质量高；反应温度高时，引发剂分解速率常数增大，当引发剂浓度一定时，自由基生成速率大，自由基由水相进入乳胶粒的速率大，致使在乳胶粒中链终止速率增大，故聚合物相对分子质量降低。但温度过高（85 ℃以上）时，单体易发生凝聚，黏度急剧上升，从而影响树脂的性能。故反应时应严格控制温度。本试验中，滴加单体时温度控制在75 ～ 80 ℃，后期反应温度控制在80 ～ 85 ℃ ，以确保反应能够顺利并充分地进行。用上述工艺条件制得的水溶性丙烯酸树脂黏度适中，可与水任意比互溶。
水性涂层底漆中添加防闪锈剂是为了防止闪蚀现象。针对水性环氧体系，通常选用苯并异噻唑啉的衍生物，加入量在0.4%左右。水性面漆中分散剂的作用是改善涂料流动性，提高光泽和明亮度，提高着色力、遮盖力，还可以提高生产效率。本试验选用有助于提高体系黏度稳定性的聚丙烯酸盐类有机分散剂，用量以在颜料表面形成致密的单分子吸附层为佳值。颜料为钛白粉，用量为涂料总质量的20%。消泡剂分为有机硅类和非硅树脂类，有机硅类有极好的消泡能力，但会引起附着力降低，所以适用于面漆，选用水性有机硅消泡剂BYK-023，用量为涂料总质量的0.05%。
⑴合成了水性丙烯酸树脂，以此为基础制备了水性丙烯酸酯面漆，讨论了树脂合成的工艺条件对漆膜性能的影响。确定了佳工艺条件为：软单体与硬单体的佳质量比为1.17 ∶ 1.00；反应温度为75 ～ 85 ℃；乳化剂、引发剂用量分别为单体总质量的0.2%和0.4%。
⑵制备了水性环氧防腐底漆，与丙烯酸酯面漆配套制备了水性防腐涂层系统，并对其性能进行了测试，结果表明：本涂层耐冲击性好，耐水、耐盐雾性能优秀；具有较高的光泽，可用于汽车、船舶内部钢质结构的涂饰和防腐。
