可喷涂的无溶剂环氧水舱涂料的制备与性能研究

郭永亮，王新征，吴权（中远关西涂料化工有限公司）

摘要：开发了一种可以无气喷涂施工的无溶剂环氧涂料。介绍了环氧树脂、稀释剂、固化剂等原材料的选择,结果表明,制备的涂料具有优异的附着力、防腐性、耐水性,可以用于水舱、管道、储罐内壁的防腐保护。

关键词：可喷涂；无溶剂；环氧涂料

0 前 言
随着人们对环境保护的要求越来越高，以及对施工现场工人的安全考虑，传统涂料必然向着水性化和无溶剂化的方向发展。水舱内部处于一种密闭环境中，无溶剂涂料由于没有溶剂和水分的挥发更有利于涂料的干燥。而无溶剂环氧涂料具有一次成膜厚、耐化性优异等特点，也是作为水舱涂料的最佳选择。
对于现场大规模施工通常选择无气喷涂的方式，喷涂通常要求涂料具有更低的黏度和较长的使用期。而这往往也是现行的无溶剂环氧涂料无法大规模应用的壁垒所在。国外公司相比中国起步较早，荷兰IP公司的Interline 925、丹麦HEMPEL公司的35530、挪威Jotun公司的TANKGUARD 412/DW等都属于此类的产品，即便是这些大公司产品在现场施工通常也对涂料温度以及施工节奏有严格的控制。而国内公司对于此类高性能可喷涂的无溶剂产品已有报道，但是现场应用案列却很少。本文研究并制备了一种可常规喷涂的无溶剂环氧涂料，具有优异的耐水、耐酸碱及其防腐性能，可以大规模应用于船舶淡水舱、压载舱、淡水管道内壁，水罐内壁以及其他重防腐领域。
1 试验部分
1.1 试验原材料和设备
试验原材料：环氧树脂(E-51)、双酚F环氧树脂、活性稀释剂、苯甲醇、润湿分散剂、消泡剂、触变剂、钛白粉(CR-510)、滑石粉、改性胺固化剂、固化促进剂等。
试验设备：高速分散机、刮板细度计、Q-FOG盐雾箱、Elcometer附着力测定仪、Elcometer膜厚测定仪、JM-V磨耗仪、GRACO电动高压无气喷涂机等。
1.2 可喷涂无溶剂环氧涂料配方
涂料中所加入的原料以及各组分的大致比例如表1所示。

1.3 性能技术指标

我国对于无溶剂环氧涂料以及环氧水舱涂料有着明确的技术指标要求，表2和表3分别摘录自SH/T3022—2011 《石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计规范》和GB/T 5369—2008《船用饮水舱涂料通用技术条件》，本涂料也是完全按照其相应设计的，完全能够满足其性能要求。

2 配方设计及分析
2.1 基体树脂的选择
环氧树脂是平均每个分子含有2个或者2个以上环氧基的热固性树脂。一般为环氧氯丙烷的衍生物，其黏度也随着分子量的增大而增加。对于无溶剂环氧体系而言，通常选择黏度低的环氧树脂作为成膜基料。现在市面上双酚A型的E51以及双酚F型的环氧树脂通常被选作无溶剂环氧的主要基体树脂。比较两种类型的树脂，结果如表4所示。

从试验结果上来看，双酚F比双酚A有着更低的黏度，这是由于双酚F的亚甲基比双酚A的异丙基更容易旋转。单独使用双酚F的清漆耐冲击和柔韧性要比单独使用双酚A的要差，但是由于涂料中稀释剂的加入和固化剂的选择其性能也会相应的改善。按照表1涂料配方以相同比例制漆，双酚F制备的无溶剂环氧能够进行无气喷涂，而双酚A制备的无溶剂环氧由于体系黏度过大无法进行施工(GRACO无气喷涂机，最大输出压力22.7 MPa)。因此，选择低黏度的双酚F作为开发无溶剂环氧水舱涂料的主要成膜树脂。
2.2 稀释剂的选择
稀释剂主要用来降低环氧涂料黏度、稀释涂料便于施工，除此之外它还可以改善涂料一些物理和化学性能。开发无溶剂涂料，稀释剂是必须选择的一部分，就像常规涂料选择溶剂一样。但是不同于溶剂，稀释剂会永久地保留在涂膜中，因此其研究的意义也变得十分重要。稀释剂可分为活性稀释剂与非活性稀释剂两大类。
活性稀释剂一般是指带有1个或者2个以上环氧基的低分子化合物，它们可以直接与固化剂反应，成为环氧树脂固化物交联网络结构的一部分。根据环氧基的数量，可以分为单环氧基活性稀释剂和多环氧基活性稀释剂两种。多环氧基活性稀释剂由于分子量小且环氧基团多，涂膜胶脆，表现出比双酚F环氧树脂还要差得多的耐冲击性和韧性。因此为了改善环氧树脂选择了单官能度的活性稀释剂，表5列出了市面上的单官能度活性稀释剂的种类。

丁基和异辛基缩水甘油醚有较大的气味，且由于涂料应用于经常浸水的部位，脂肪族的活性稀释剂耐水较差，所以首选分子结构中带有苯环的活性稀释剂。考虑到苯基缩水甘油醚游离的毒性问题，所以可以供选择的就只有邻甲苯缩水甘油醚和叔丁基苯基缩水甘油醚两种。经过多次喷涂试验，将叔丁基苯基缩水甘油醚与邻甲苯缩水甘油醚的添加比例定为3∶1，在保证涂料可喷涂黏度的同时尽量降低活性稀释剂的挥发性。
非活性稀释剂由于不能参与到环氧与胺类固化剂的反应体系中，仅仅只是掺混到树脂中起到稀释和降低黏度的作用。在涂料的固化中，它会残留在涂膜中也能起到增韧的作用。非活性稀释剂添加量要严格限制，添加过多对涂层性能有很大不利影响。本配方仅仅添加极少量的苯甲醇用以调节反应的固化时间。
2.3 固化剂的选择
无溶剂环氧涂料的防腐性以及耐化性，很大程度上取决于固化剂的选择。脂肪族多元胺虽然黏度较低，但是与环氧树脂反应太快、活化期太短、涂膜较脆且表面容易浮油，不宜作为无溶剂环氧的固化剂使用。常规环氧所使用的聚酰胺固化剂有着诸多的优点，例如好的柔韧性、好的耐腐蚀性、长的活化期、低的毒性等等，但是由于黏度无法降低到无溶剂可以使用的程度也无法作为此产品的固化剂。
本产品分别选用了不同厂家的腰果壳油改性酚醛胺(NX-2007)、间苯二胺类合成胺(G-240)、脂环胺(i-544)和聚醚胺(D230)作为性能测试主要测试原料，具体性能对比见表6。

从表6中可以看出，聚醚胺具有极低的黏度，但是干燥时间太长，防腐性很差；腰果壳油改性酚醛胺干燥速度快，具有优异的耐腐蚀以及耐化学性能，但是使用期过短，施工难度比较大；脂环胺和间苯二胺类合成胺的活化期以及干燥时间适中，最适合作为可喷涂无溶剂环氧的固化剂使用。考虑到间苯二胺类合成胺比脂环胺更好的防腐性以及更低的黏度，本产品选择了间苯二胺合成胺作为固化剂使用。
2.4 其他组分的选择
颜填料是决定涂料防腐以及黏度的关键因素之一。滑石粉有着比碳酸钙更好的防腐性，且本产品选用低吸油量的滑石粉为的是使涂料的黏度更低，更有利于喷涂施工。作为无溶剂产品，一次成膜较厚，所以颜料的添加量较小，目的只是为了起到遮盖着色的作用。
助剂的使用是为了使产品有着更好的施工性和外观，本产品分别添加了润湿分散剂、消泡剂、附着力增进剂、触变助剂等。
3 应 用
本产品具有优秀的施工性和长期的防腐耐化性，最低可以在15 ℃的环境中不添加任何稀释溶剂直接无气喷涂。迄今为止，已经在广州黄埔船厂、葫芦岛渤海重工等不同地点进行了水舱或者水罐内壁的喷涂。图1展示了在施工过程中涂料良好的雾化状态，图2则展示了水舱内部涂料干燥后的表面状态。

4 结 语
本研究以双酚F环氧为基体树脂，以叔丁基苯基缩水甘油醚搭配邻甲苯缩水甘油醚作为稀释剂，以间苯二胺类合成胺作为固化剂，以低吸油量滑石粉为主要填料，配合多种功能助剂制备可以喷涂的无溶剂环氧水舱涂料。此种涂料具有优异的耐盐雾、耐酸碱、耐水等特点。本产品经过FDA(美国食品和药物管理局)装载食品及饮用水安全认证，可以广泛应用于船舶淡水舱、压载舱、管道内壁、储罐内壁等场所的防腐保护。