钢结构用高固体分环氧富锌底漆的制备

2020-04-02

0 前 言

钢结构材料相较于传统混凝土材料具有环境友好、抗震性强、塑性及韧性好、质量轻、强度高等优点,从而被越来越多地用于各类建筑及项目中。但是与传统的混凝土材料相比,钢结构材料却也有着耐蚀性差的缺点,钢结构防护不到位会造成极大的经济损失。涂刷防腐涂料多年来一直被业界认为是钢结构防腐领域最常用的一种长效防腐措施,全球公认的ISO12944标准也是历经多年后于2017年和2018年进行了整体更新。

绿色环境友好的涂料产品可分为4类,分别是水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料和高固体分涂料(无溶剂液体涂料是高固体分涂料发展的极致产品)。然而对于钢结构表面防腐体系而言,水性涂料施工时对施工环境要求较为苛刻,且在施工过程中容易出现闪锈,同时其涂膜对基材的防腐蚀性有待进一步提高;而辐射固化涂料需要特殊的固化设备,且对于异型件及深色系涂料难以固化;粉末涂料需要在高温下烘烤固化,不适用于现有的非线上施工钢结构,且为钢构生产厂家增加了经济支出,上述这些不足在一定程度上限制了其在钢结构行业的推广应用。

环氧富锌底漆作为一种施工简单的长效防腐底漆在钢结构防腐行业中具有广泛的应用,但是传统的环氧富锌涂料品种VOC含量较高,随着近年来各类环保方面相关的法律法规相继出台,低VOC含量的高固体分环氧富锌涂料因其具备广泛的环境适应性、良好的施工性等成为了各大钢结构厂家VOC减排的首选。

本实验依据T/CNCIA 010052018《低VOCs含量高固体分、超高固体分和无溶剂环氧涂料定义》、HG/T 36682009《富锌底漆》、DB13/ 30052017《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》、GB/T 356022017《绿色产品评价 涂料》等标准要求,开发了一种绿色环境友好的高固体分环氧富锌涂料,施工状态下的VOC小于250 g/L,实验通过对环氧树脂、固化剂以及溶剂的选择,制备了一种钢结构用高固体分高性能环氧富锌底漆,具有极高的经济效益及广阔的市场前景。

1 实验部分

1.1 原材料

环氧树脂:6101,江苏三木;75%环氧树脂液:E-20,江苏三木;锌粉,长沙新威凌;稀释剂:LITE 2020,卡德莱;改性腰果壳酚醛胺固化剂:NX-2007,卡德莱;聚酰胺固化剂,D8115,上海君江;脂肪胺固化剂:D8551,上海君江。

1.2 仪 器

电子天平:TC3K,常熟市双杰测试仪器厂;电热恒温鼓风干燥箱:TST202A-1B,成都特斯特仪器有限公司;涂-6#杯黏度计:XND-1,武汉格莱莫检测设备有限公司;比重杯:天津永利达盛实验室设备有限公司;高速分散机:SDF,上海;膜厚仪:NIX-8500,德国;涂膜冲击器:BGD,德国;天津;盐雾试验机:Sheen,英国。

实验中使用到的其他实验仪器:1 000 mL玻璃杯、测温枪。

1.3 参考配方

本实验制备的钢结构用高固体分环氧富锌底漆的参考配方如表1所示。

1.4 制备工艺

A组分:按配方用量依次将树脂、助剂,在500800 r/min转速下投入调漆罐中,加完料后在1 5002 000 r/min转速下搅拌至温度到4555 ℃,并保温30min,之后加入混合溶剂降温至40 ℃以下,并将转速逐步调至500800 r/min,在该搅拌状态下加入锌粉、LITE 2020,添加完成后,再将转速调至1 5002 000r/min,继续分散1015 min,至细度≤70 μm

B组分:将固化剂配方中用量依此投入500 mL玻璃烧杯中,在500800 r/min转速下分散1015 min后停止搅拌,待搅拌产生的机械气泡完全消失后,如若固化剂液体均一,即可使用。

1.5 性能及技术指标

根据上述基础配方及工艺制备高固体分环氧富锌底漆,相关技术指标如表2所示。

2 结果与讨论

2.1 树脂体系的选择

高固体分环氧富锌底漆配方体系中溶剂量较少,体系的黏度较大,会为客户施工带来了一定影响,因此配方体系中树脂的黏度将会成为最主要的影响因素。在基料(A组分)的配方中,主体树脂选用了黏度低的易做成高固体分涂料的环氧树脂E-44,而混拼树脂选用了分子链较长的环氧树脂E-20,用来改善涂膜机械性能,提高整个涂膜的柔韧性。双酚A环氧树脂分子中含有极性高的脂肪族羟基和醚键,使其对底材具有较高的浸润性和黏附力,而且其耐化学品性能也高。又因其结构为刚性苯环和柔性烃键的交替排列,从而使得涂膜拥有好的物理机械性能,和较佳的施工性。通过两种树脂不同比例的复配,实验从表干时间(25 ℃环境下)和施工固体分含量、施工黏度下VOC含量、附着力(拉拔法)方面进行对比,实验结果如表3所示。

从表3数据可以看出,当树脂601075%固含量的树脂液E2041(质量比,后同)或全部为树脂6101时可满足DB13/ 30052017《建筑类涂料与胶粘剂挥发性有机化合物含量限值标准》和GB/T 356022017《绿色产品评价 涂料》相关VOC250 g/L的限值要求,虽然两者的表干时间等都满足相关标准要求,但对于现场施工而言表干越快越好,故而从环保、施工性能及经济性而言,最终选择的树脂体系为树脂601075%固含量的树脂液E2041

2.2 固化剂的选择

对于环氧体系而言所选用的固化剂种类及用量对涂膜性能有很大影响,因此固化剂的选择至关重要。环氧涂料的主要固化剂是胺类固化剂,常用的有脂肪胺、聚酰胺、改性腰果壳酚醛胺等。按上述树脂6010与树脂液E20的比例按基础配方制漆,分别检测用脂肪胺固化剂、聚酰胺固化剂、腰果酚固化剂的凝胶时间、固化情况及盐雾性能等,相关实验结果如表4所示。

由表4数据可以看出,聚酰胺固化剂和脂肪胺类固化剂均有不足之处,聚酰胺固化剂低温施工性差,脂肪胺固化剂对涂膜的防腐性能有较大影响。而腰果壳改性酚醛胺固化剂不仅不受使用环境的限制,而且其防护性能优异。众所周知,环氧涂料在低温环境下固化,由于温度太低而溶剂无法挥发,限制了这一体系的进一步低温施工性。经大量实验数据可知当环氧体系有75%以上环氧基团发生交联时,涂膜性能就接近完全固化时的性能。在常温下环氧树脂通常只能达到90%的交联度;而在5 ℃时采用改性酚醛胺固化剂的环氧树脂,3 d左右就可达到基本完全固化的状态,而传统聚酰胺固化剂在相同温度及时间下交联度却难以达到40%[8]。综上,改性腰果酚固化剂相较于脂肪胺固化剂和聚酰胺固化剂具有防腐效果明显、综合性能优异等特点,故而本产品体系的固化剂选用了改性腰果酚固化剂。

2.3 溶剂的选择

在产品制备时即使选用了低黏度的环氧树脂,但是由于树脂本身黏度仍然较高,难以达到喷涂的施工黏度要求,所以在制备过程中需添加一定量稀释剂来调节环氧树脂的黏度。通过查阅资料及相关实验,实验选择用一般的醇类和芳香烃组合的环氧混合溶剂和腰果壳油改性的不挥发性环氧稀释剂LITE2020(卡德莱)作为配方中的溶剂体系,按不同比例进行混合制漆,检测了涂料与固化剂配合后的黏度、固含量、VOC含量,相关数据见表5

由表5中数据可知,随着LITE 2020的施工黏度下的VOC含量逐渐减小,施工黏度下的固体含量逐渐增加,而配合后黏度逐渐增加。这是由于环氧混合溶剂具有较强的溶解能力、降黏快、表面张力适宜且挥发速率适中等优点。而LITE 2020是一种新型的具有100%固含量的非活性不饱和长链醇醚,在降低产品体系VOC含量的同时又能保证涂膜的理化性能不受影响,同时还有利于改善产品的施工性和增强涂膜韧性。它这种独特的结构赋予了它与各种环氧体系极佳的相容性,也提高了产品对基材的浸润性,有助于涂膜对底材的防腐防护作用。而兼顾环保性及经济性,最终选择m(环氧混合溶剂)m(LITE 2020)21作为最终的溶剂体系。

3 实验配方及性能

通过以上实验,最终确定钢结构用高固体分环氧富锌底漆的实验配方,具体如表6所示。

经过对高固体分环氧富锌底漆各主要原材料的筛选,控制了涂料施工VOC含量,同时其他性能符合相应行标标准,最终制备的涂料具体性能指标如表7所示。

4 结 语

(1)通过上述实验最终确定配方树脂体系采用了环氧树脂6101(三木)75%环氧树脂液E-20复配且复配比为41;采用腰果壳油改性酚醛胺NX2003作为固化剂;溶剂体系比例为m(环氧混合溶剂)m(LITE2020)21

(2)高固体分环氧富锌底漆一次施工可得较高膜厚的涂层,减少施工道数,提高了施工效率,缩短了施工单位的工期,也间接为客户节省了成本;该产品溶剂含量少,涂膜致密性较普通环氧富锌底漆好,提高了产品的防腐性能;本产品VOC含量低,减轻了对环境的污染危害,节约了能源,是一种环境友好型的涂料产品。经性能测试及客户试用表明:该产品涂膜坚韧、平整、附着力好、防腐性能优异,对钢结构及防腐要求高施工条件困难的表面有较好的防腐保护作用,并有极佳的应用前景。

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