新型通用改性环氧防锈底漆的研制
高 波1，3，方大庆1，3，陈乃洪1，3，顾根福1，2
（ 1.厦门双瑞船舶涂料有限公司，福建厦门 361101 ；2.上海市涂料研究所，上海 200062 ；3. 中船重工725 研究所厦门分部，福建厦门 361002）
0 引言
环氧涂料具有良好的耐酸碱性、耐水性、低收缩率和优良的附着力与防腐性，是防腐涂料中应用广泛的品种之一。环氧涂料有纯环氧涂料和改性环氧涂料两大类，形成多种涂料产品，应用于船舶的不同部位。近年来，提出了通用环氧底漆的概念，它是一种在船舶各个部位，如舱内、舱外、上层建筑、水线以下，特别是在装载各种腐蚀介质的液舱（如压载舱）均可使用，并且无涂装间隔，与各种面漆的配套性良好，能真正做到低黏度，高抗流挂，高固含量，施工性能优异的高性能、低成本的防锈底漆，通用改性环氧防锈底漆已成为各涂料厂商的研发重点。在船舶各内舱中，压载舱是一个腐蚀环境恶劣的舱室，主要有海水蒸气饱和区、海水浪溅区、海水全浸区和舱底泥沙区，在航行过程中，压载舱始终处于海水干湿交替状态，而且维修十分困难。2006 年12 月8 日，海事组织（IMO）通过了专用船舶压载舱保护涂层性能标准（简称PSPC）。PSPC 中规定，压载舱保护涂层具有15 a 的使用寿命，必须通过经船级社认可的实验室波浪舱和冷凝舱等性能试验，这就对新型通用型改性环氧防锈底漆的性能提出了更高的要求。
1 实验部分
1.1 原材料和仪器设备
1.1.1 原材料
环氧双酚A 树脂，环氧酚醛树脂，环氧改性剂，环氧固化剂，聚酰胺蜡粉体流变剂，气相二氧化硅（AS-200），消泡剂BYK-A530，活性二氧化硅等其它颜填料，偶联剂，二甲苯，正丁醇，E-47 车间底漆等。
1.1.2 仪器设备
多功能分散机JSF-450，有气喷涂设备，盐雾箱，数显恒温水浴箱HH-60，附着力测试仪AT-A，流挂测定仪QAG 等。
1.2 新型通用改性环氧防锈底漆的制备
1.2.1 环氧改性剂的制备
首先利用粉碎机对大块的环氧改性剂固体进行预处理，细度达到要求后，与二甲苯和正丁醇组成的混合溶剂按照一定的比例混合，进行高速分散，至固体状环氧改性剂完全溶解，无硬块，过滤，备用。
1.2.2 涂料的制备
甲组分：首先将环氧双酚A 树脂、环氧酚醛树脂、环氧改性剂、混合溶剂、消泡剂、分散剂、流变助剂等装入拉缸中分散均匀。注意如果外界温度低，需要对拉缸水浴加热，温度控制在50~70℃之间，然后加入颜填料和玻璃微珠，研磨分散至细度≤ 80 μm，过滤即可。
乙组分：按照配方比例，在拉缸中加入固化剂、偶联剂和混合溶剂进行搅拌，0.5 h 后检查固化剂是否混合均匀，过滤即可。
1.3 性能测试
将甲组分和乙组分按照比例混合，搅拌均匀后制备漆膜。按照有关国家标准进行性能测试。
2 结果与讨论
通用改性环氧防锈底漆的常规性能指标以及样板在冷凝舱、波浪舱和恒温试验下的实验结果见表1。
由表1 可见：通用改性环氧防锈底漆达到了船用防锈底漆的标准，涂层致密，附着力强，抗冲击性好，防锈性和施工性能优异，能与各种面漆进行配套，与连接漆和防污漆配套良好，无涂装间隔，适用于船舶的诸多部位，实现了涂料产品的一体化，简化了涂料的品种，提高了施工效率，同时以通用改性环氧防锈底漆为主涂层，完全满足了IMO 的PSPC 要求。
2.1 树脂基料对涂料性能的影响
2.1.1 不同环氧树脂配比对涂层性能的影响
由于环氧树脂分子结构中含有大量的醚键及羟基，能为涂层提供良好的耐介质性及对底材具有良好的附着力。环氧树脂随着其相对分子质量的变化和树脂类型不同，其特性也有较大的区别。本配方优选1 个分子中含有2 个以上环氧基的环氧酚醛树脂与环氧双酚A 树脂进行复配，有效增加交联密度，使涂层结构致密、坚韧，防腐性优良。制备成干膜厚度为（250±20）μm 的色漆漆膜，考察环氧酚醛树脂和环氧双酚A 树脂配比对漆膜耐阴极剥离性（GB/T7790—2008）的影响，试验结果见图1。
由图1 可见：随着环氧酚醛树脂占整个树脂体系的质量百分比不同，漆膜的耐阴极剥离性发生了显著变化。随着环氧酚醛树脂的加入，涂层的交联密度增大，致密度增加，抗渗透性增强，但达到一定比例后，涂层的脆性增大，影响综合性能。当环氧酚醛树脂和环氧双酚A 树脂之间的比例为1∶1 时，性价比高，涂层交联密度高，防腐蚀性也能满足要求。
2.1.2 环氧改性剂用量对涂层性能的影响
环氧改性剂对涂层的屏蔽性、耐酸碱性、耐水性等性能起着十分关键的作用，其用量对涂料产品的成本也起着决定性的作用。改变环氧改性剂与树脂体系的比例，制备成干膜厚度为（250±20）μm 的色漆漆膜，进行80℃热盐水浸泡后划伤试验和阴极剥离性能试验，结果见图2。
由图2 可见：当环氧改性剂用量与树脂体系用量达到等量，即1∶1 时，涂层耐阴极剥离性和耐80℃热盐水性达到佳。
2.1.3 不同环氧固化剂对涂层性能的影响
通用改性环氧防锈底漆中固化剂应满足耐腐蚀性好、固化性好、无毒、不需诱导期、能低温固化、固化后具有良好的力学性能，性价比高等要求。不同固化剂的配套试验结果见表2。
由表2 可见：聚酰胺650 与环氧树脂混溶性差，而芳香胺本身具有致癌的嫌疑，不宜使用。终确定改性脂肪胺和腰果壳油改性酚醛胺配用，作为通用改性环氧防锈底漆的固化剂。
2.2 偶联剂用量对涂料性能的影响
在环氧涂料中常选用KH-550、KH-560、KH-570等硅烷偶联剂，可显著改善漆膜对基材的附着力和对颜填料的润湿分散性，提高涂层的力学性能和耐介质腐蚀性。本试验选用KH-560，加入涂料后，涂料黏度有所降低，刷涂、有气或无气喷涂性能均有所提高，流平性得到改善，气泡明显减少，固化性能也得到很好地提高，这主要是因为颜填料经偶联剂KH-560 处理后，粉料吸油量降低，降低了与漆基间的结构化作用，使基料、颜填料和被涂钢板表面三者连成一体，形成化学连接，从而达到高度致密，有效屏蔽水、氧和腐蚀介质的渗透。用拉开法（GB/T 5210—2006 中9.4.3）测试涂层与钢板间的附着力，结果见图3。
由图3 可见：当KH-560 用量占配方总量约1%时，涂层附着力大，此时漆膜对钢板的渗透性、结合力好，对耐腐蚀性等性能起到一个正作用。
2.3 主涂层与车间底漆配套对PSPC 试验的影响
2.3.1 主涂层与车间底漆兼容性对PSPC 试验的影响
本配套采用的是：主涂层为通用改性环氧防锈底漆，车间底漆为无机硅酸锌车间底漆。PSPC 试验对主涂层的性能要求见表3。
从表3 性能要求来看，要求主涂层与车间底漆有良好的兼容性。主涂层中的环氧分子结构中含有醚键和羟基，这些都是强极性基团，由于这些基团的存在，就使得环氧树脂分子和车间底漆表面产生很强的黏结力，使涂层与涂层之间结合更紧密。另外，在车间底漆中含有金属锌，其标准电位比基材铁的电位更负，在阴极剥离过程中，起到了牺牲阳极保护阴极的作用，减少了试验过程中锌块的消耗量。
2.3.2 主涂层耐阴极剥离性对PSPC 试验的影响
耐阴极剥离性能否通过是PSPC 试验的一个重要标志，耐阴极剥离性好，就大大提高了涂层通过PSPC试验的成功率。目前关于阴极剥离试验中，阴极反应物导致涂层剥离的机理主要有以下5 种观点：
（1） 阴极反应产物OH- 和涂层极性基团直接反应，使有机涂层和金属间结合力降低而导致阴极剥离；
（2） 阴极反应发生后，为了保持电荷守恒，金属阳离子迁移到金属/ 涂层界面，与OH- 结合形成的碱性氢氧化物在金属表面聚合发生体积膨胀，导致涂层剥离；
（3） 氧化还原过程中产生的具有氧化活性的中间产物破坏涂层与金属间的结合键，导致涂层剥离；
（4） 金属表面预先存在的氧化物还原并溶解在碱性溶液中，导致涂层剥离；
（4） 金属表面预先存在的氧化物还原并溶解在碱性溶液中，导致涂层剥离；
（5） 金属界面高pH 水溶液使涂层发生位移而引起涂层剥离。
从上述的5 种观点来看，是涂层与金属界面间电化学反应产生的阴极反应产物破坏了涂层与金属间的结合力而导致了阴极剥离，这就要求涂层对金属表面具有良好的渗透性。
为了提高涂层的耐阴极剥离性，人们在增加涂层与金属间的结合力、降低阴极反应速率及中和阴极反应过程中产生的能够破坏涂层与金属间结合力的阴极反应物等方面做了大量工作，其中金属表面处理和在涂层中增加一些活性防锈颜填料是常用的方法。本配方中添加了环氧改性剂、偶联剂和某些活性颜填料，能很好地增强涂层与金属表面的结合力，提高涂层的耐阴极剥离性。
3 结语
（1） 本配套性试验证明，以通用改性环氧防锈涂料为主涂层，与无机硅酸锌车间底漆配套，顺利通过了PSPC 试验，同时，达到了船底防锈漆的国家标准；
（2） 本配方添加的环氧改性剂、偶联剂能有效提高涂层的耐阴极剥离性。
