何 畅，肖 昴，陈中华

(1 嘉宝莉化工集团股份有限公司，广东 江门 529085；2 华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640)

工程机械是机械行业里的重要组成部分，在国家基础建设中有着不可或缺的作用，工程机械种类繁多,包含范围从通用设备制造业到专业设备制造业，涵盖了挖掘机械、铲土运输机械和工程起重机械等主要的几类[1]。由于大部分工程机械所处的工作环境基本都在外，不仅要经受户外的雨淋日晒，有时还要在极端的工作环境下承受泥石沙等的冲击磨损和腐蚀，故对于所使用的防护涂层有较高的性能要求标指标。工程机械设备涂层漆膜的耐腐蚀性能和附着力主要是底漆提供，因而要求所使用的底漆，具有优异的耐盐雾性能，优异的附着力，以及优异的物理性能，同时为了适应涂装厂的生产节奏，还要求底漆干燥速度快，能够快速喷涂面漆[2]。

目前的工程机械底漆涂装主要还是以溶剂型环氧底漆为主，VOC含量高，气味大，不符合环保要求，环氧底漆的水性化，在工程机械涂装领域具有不可逆转的趋势，但是水性环氧防腐底漆目前还是存在一定的问题，比如干燥速度偏慢、早期性能差、和面漆的匹配性不佳等[3-6]。

基于此，开发一款干燥速度快、耐盐雾性能优异，同时与面漆具有良好匹配性的水性环氧底漆至关重要。本文通过筛选市面上的水性环氧乳液和固化剂，并考察防锈颜料种类和用量对涂层理化性能的影响，制备了一款干燥快、防腐性能优异的双组份水性环氧防腐底漆，同时还有效地减少水性环氧底漆因干燥过慢导致的漆膜性能下降和配套面漆表面效果欠缺的问题。

1 实 验

1.1 主要原材料

水性环氧乳液和水性固化剂的指标见表1。钛白粉(R998)，西昌瑞康钛业；硅灰石、云母粉，国产；增稠剂(Borchi Gel 0620)，德国OM Group；分散剂(TEGO 760w)，德国迪高；防闪锈剂(H14)，法国ASCOTEC；助溶剂(工业级)，广州化学试剂厂；润湿流平剂(TEGO 4100)，德国迪高；消泡剂(TEGO 901W)，德国迪高；防锈颜料(ZMP-1/ZPA-X/ZPW-1/ZPL)，湖南瑞石科技；防锈颜料(B560/A218)，江苏合三弘纳米科技。

表1 水性环氧乳液和水性固化剂的基本参数

1.2 实验仪器

BGD740/1高速分散机，广州标格达精密仪器；TENSOR37傅里叶变换红外光谱仪，BRUKER公司；Q25型扫描电子显微镜，FEI公司；CS350电化学工作站，武汉科斯特仪器有限公司。

1.3 水性环氧防腐底漆的制备

1.3.1 浆料的制备

将去离子水、润湿剂、分散剂、一部分消泡剂依次加入搅拌机，将中速分散5 min后，在低速搅拌下，依次加入防锈颜料、钛白粉、云母粉和硅灰石，搅拌15 min，最后通过砂磨机研磨至30 μm细度，用200目纱网过滤得到浆料待用。

1.3.2 A组分的制备

将浆料在低速搅拌下加入环氧乳液中，再依次加入助溶剂、润湿流平剂和剩余消泡剂加入搅拌机，低速搅拌15 min后，加入增稠剂调节粘度至合适粘度，得到双组份水性环氧防腐涂料的A组份。

1.3.3 B组分的制备

表2 水性环氧防腐底漆基础配方

将防闪锈剂和胺类固化剂混合加入分散罐中，调整搅拌机转速至400 r/min，搅拌15 min，得到双组份水性环氧防腐涂料的B组份。

1.4 涂层制备及性能测试

1.4.1 涂层的制备

将制备好的双组份水性环氧防腐涂料A组份和B组份以一定的比例混合均匀，喷涂至测试基材上，在常温下自然干燥，漆膜养护7天，测试干膜厚度保证其在50～70 μm之间的厚度。

1.4.2 测试与表征

成膜物质结构：红外光谱(FTIR)测试；微观结构：扫描电子显微镜(SEM)分析；电化学测试：电化学阻抗谱(EIS)测试；附着力测试：按GB/T 1928-1998测试；耐水性测试：按GB/T1733-1993测试；耐酸耐碱测试：按GB/T9274-1998测试；耐中性盐雾测试：按GB/T1771-2007测试。

2 结果与讨论

2.1 水性环氧乳液/固化剂种类对环氧底漆性能的影响

成膜物质基本决定了涂层的主要性能，因此筛选合适的水性环氧乳液和固化剂，对最终水性环氧防腐底漆产品起到决定性作用。选取了几款不同厂家的水性环氧乳液和固化剂，制备水性环氧防腐底漆。

目前市面上主流的几款水性环氧乳液，环氧当量均设计在1000 g·eq-1左右，分子量大同小异，主要是在分子设计和合成路径上有所区别，这就造成了环氧当量接近，但是性能却不尽相同。我们选取了三种不同厂家的水性环氧乳液分别搭配Banco 920固化剂分别搭配，水性环氧乳液和固化剂以环氧基数量和活泼氢数量等比例搭配，得到的涂层红外谱图如图1(a)所示。

如图1(a)表明，三种水性环氧乳液与固化剂制备的涂层，结构类型是上是类似的，主要是-OH(3387 cm-1处特征吸收峰)和叔胺基(734 cm-1处特征吸收峰)数量上略有不同，这与其三者的环氧当量有关，也有可能与三者的反应程度有一定的关系。

图1 三种水性环氧乳液分别与Banco 920制备的涂层(a)和 两种水性固化剂与Banco 2092制备的涂层(b)的红外谱图Fig.1 Infrared spectra of coatings prepared by three water-based epoxy emulsions and Banco 920(a) and coatings prepared by two water-based curing agents and Banco 2092(b)

市面上水性固化剂的种类则各不相同，选取了两种不同的水性固化剂Banco 920和CA-883，分别与水性环氧乳液Banco 2092进行搭配，得到的涂层红外谱图如图1(b)所示。

图1(b)表明，Banco 2092/Banco 920制得的涂层中，叔胺基的红外吸收更强，说明两者的反应更加充分，产生了更多的叔胺基。将三种水性环氧乳液和两种水性固化剂进行搭配制漆，所得到的涂层性能如表3所示。

表3 水性环氧防腐底漆的测试结果

综合干速、硬度和耐盐雾，Banco 2092+Banco 920综合性能最佳，指压干时间20 min，硬度H，耐水2000 h，耐盐雾大于400 h。

2.2 防锈颜料种类对环氧底漆性能的影响

双组份水性环氧防腐涂料中，防锈颜料对环氧底漆的防腐性能起着重要的作用，在高耐盐雾要求的水性双组分环氧防腐底漆中，主要以化学缓蚀型防锈颜料为主，本部分主要研究不同类型的防锈颜料对水性环氧底漆性能的影响。表4是不同类型的化学缓蚀型防锈颜料对涂层性能的影响。

结果显示，W808对涂层耐水性和耐酸耐碱性的影响较大，这是因为W-808是主要成分是钼硅酸盐水合物，和其余几种磷酸盐类型的防锈颜料相比其亲水性会更强，所以降低了漆膜的耐水性，但是其能够和树脂体系中的羟基形强的分子间作用力，加强与涂层体系间的次价键力，故W808制备的环氧涂层耐酸碱性最好。从耐盐雾时长来看，ZMP-1制备的涂层耐盐雾最佳，这主要是因为ZMP-1具有多种防锈作用相互协同，使得其耐盐雾最佳。ZMP的组份是磷钼酸铝锌和碱式磷酸锌钼，漆膜中的磷酸根离子可以吸附于基材表面形成致密钝化膜，钼酸根离子能够在金属基材表面形成一层具有吸附性的氧化膜对基材进行修复保护，两者都有较强的防腐作用；钼酸根离子会与盐雾中的Cl-在金属基材表面形成竞争吸附作用，减少了Cl-对基材的腐蚀；磷钼酸铝锌和碱式磷酸锌钼带有磷酸复盐的结构，具有优异的吸附性和离子交换性，能缓慢释放一部分磷酸根离子和钼酸根离子吸附于金属表面，提高漆膜的长效防腐性；同时少量的钼酸盐防锈颜料能与磷酸盐防锈颜料形成协同作用，提高防腐性能。

表4 不同防锈颜料环氧涂层的性能测试结果

图2和图3反映了不同防锈颜料制备的涂层在耐盐水测试过程中的电化学阻抗谱的结果。从测试结果来看，ZMP-1在长时间的耐盐水过程中，其阻抗值变化最小，仍能保持接近108Ω·cm2，说明其对电解质中腐蚀介质的抗渗透作用最强，该测试结果与耐盐雾测试结果一致，均说明了ZMP-1对腐蚀介质的抵抗能力最强，能够大大减弱离子的渗透。

图2 涂层的阻抗谱(24 h盐水浸泡)Fig.2 Impedance spectra of different coatings (24 h salt water immersion)

图3 涂层的阻抗谱(240 h盐水浸泡)Fig.3 Impedance spectra of coatings (240 h salt water immersion)

2.3 PVC对环氧底漆性能的影响

通过改变树脂乳液和填料的用量，设置不同的PVC，研究PVC对水性环氧防腐底漆性能的影响，表5是不同PVC涂层的性能测试结果。

表5 不同PVC涂层的性能测试结果

结果表明，随着PVC的增加，涂层的光泽显著降低，从SEM形貌图中也可以看出，PVC过高，基体树脂已无法有效包覆粉料，这会影响涂层表面的折光率和平整度，进而导致光泽明显下降。随着PVC的提高，漆膜的耐酸碱性变差，是因为涂层通过树脂对颜填料的包覆形成连续完好的漆膜，PVC过高漆膜中颜填料过多，环氧树脂过少不能均匀包覆颜填料形成致密的漆膜抵抗酸碱的破坏。PVC在30%时，漆膜的致密性较好，耐酸碱性均达到48 h，同时由于更佳的致密性，此时耐盐雾性也达到最佳528 h，SEM形貌图也显示，在PVC为30%时，涂层的致密性最佳。

图4 不同PVC漆膜表面SEM形貌图Fig.4 SEM image of different PVC paint film surface

2.4 涂层的综合性能

通过将双组份水性环氧涂料作为底漆，自制双组份水性聚氨酯涂料作为面漆，制备环氧底漆/聚氨酯面漆的复合涂层，对涂层的各项性能进行测试，与单层的双组份环氧涂层进行对比，表6为涂层性能测试结果对比。

表6 复合涂层性能测试结果对比

由表6可以看出，相较于单层的水性环氧防腐涂层，复合涂层耐酸耐碱和耐盐雾性更优，复合涂层耐酸达到168 h、耐碱达到96 h、耐盐雾达到1000 h，复合涂层的综合性能超过了行业标准HG/T4339-2012中工程机械涂料涂层体系的性能要求。

3 结 论

选用Banco2092+Banco920为水性环氧防腐底漆的成膜物质，防锈颜料采用ZMP-1，PVC设计为30%，水性环氧底漆的综合性能最佳，与自制水性聚氨酯面漆复配后，耐酸性达到168 h，耐碱性达到96 h，耐盐雾可达1000 h，该复合涂层的综合性能超过了行业标准HG/T 4339-2012性能要求。