提升水性工业涂料防腐性能的功能性材料

作者:朱朋利,赵健,吕化奇,王凯/滁州格锐矿业有限责任公司

郁飞,雒新亮/中海油常州涂料化工研究院有限公司

摘要:将不同种类的GF-系列云母粉应用于水性工业防腐涂料体系中,进行云母粉的加量试验及云母粉对常规防锈颜料的替代试验,并通过耐中性盐雾和连续冷凝等测试研究GF-系列云母粉在水性工业防腐涂料领域的实用性。结果表明:GF-系列云母粉能够明显改善水性工业防腐涂料的抗凝露和耐盐雾性能,在一定的范围内[1],随着云母添加量的增高,抗凝露和耐盐雾性能均呈现上升趋势;云母粉在一定加量范围内可以部分替代水性工业防腐涂料中的防锈颜料,保证涂层连续冷凝实验和耐中性盐雾性能达到C4-M的要求,降低配方成本。

引言

传统的工业涂料含有大量的有机溶剂,溶剂在施工和干燥的过程中大都挥发出来,这不仅严重污染环境和危害人类健康,同时还对资源造成了极大浪费。据资料显示, 钢铁制品及其设施在涂装过程中挥发掉的VOC 总量约占全球VOC 总量的20 %~25 %[2],已经成为大气的主要污染源之一。而水性涂料具有无色无味、低黏度、快干、高固含量等优点,并且在制造过程中不使用有机溶剂、施工过程不排放有机溶剂,完全符合国际流行的“4E”原则[3],因此,以水性涂料替代溶剂型涂料应用于工业防腐涂装,对我国构建和谐社会和实现经济的可持续发展有着非常重要的现实意义。

目前,水性工业涂料的研究热点多聚焦于新型水性树脂和新型防锈颜料,而对填料的研究则较少。云母作为一种典型的二维片状材料,在涂膜收缩过程中应力方向的无规性,可以促使水性涂料干燥过程中涂膜收缩应力得到分散性释放,进而改善涂层的应用性能。

滁州格锐GF-系列云母粉精选优质云母原料,采用独特的柔性碾磨剥片和精细分级提纯等工艺流程制备,产品具备径厚比大、粒径集中度高、纯度高等优点。

本文以片状异型材料-云母为对象,研究其对水性工业涂料防腐性能的功能贡献,以及部分替代水性工业防腐涂料中的防锈颜料的性能。

1、实验部分

1.1 实验原料

固化剂(ARADUR3986):亨斯曼;

水性环氧乳液(ARALDITE PZ 3961):亨斯曼;

GF-云母粉:滁州格锐矿业有限责任公司;

云母粉:市售;

沉淀硫酸钡滑石粉高岭土:市售;

磷酸锌:鑫盛化工;

锶黄:曙灿实业。

以上均为工业级。

1.2 试验仪器

砂磨机(WSM-300/Z):上海赛杰化工设备有限公司;

高速分散(GFJ-0.4):上海现代环境;

盐雾箱(DCX3000):亚太拉斯;

冷凝潮湿试验箱(QCT):翁开尔(Q-LAB)。

1.3 涂层的制备及性能测试

1.3.1 涂层的制备

在研磨罐中加入固化剂、去离子水和分散剂,搅拌均匀后加入云母粉、滑石粉、高岭土、硫酸钡(锶黄、磷酸锌),研磨至细度30μm,加入其他助剂,高速分散15min,200目滤网过滤制得水性工业防腐涂料。

在以上制备的水性涂料中加入配方量的水性环氧乳液(环氧过量比为1.2),喷涂于喷砂钢板上,喷涂压力0.5MPa,喷涂距离20~25cm,干膜厚度为60~80μm。干燥条件为80 °C/2h或常温7d。

1.3.2 云母粉对水性工业涂料防腐性能的试验配方

选取8个具有代表性的国内外云母粉样品,试验不同径厚比和粒度集中度的云母粉对水性工业涂料的耐中性盐雾和连续冷凝指标的影响。实验配方见表1,8个云母粉样品的径厚比和粒度集中度对比见表2。

表1试验配方

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表2 云母粉1#~8#径厚比和粒度集中度对比表

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1.3.3 云母粉添加量对水性工业涂料防腐性能的试验

选取云母粉5#和7#,试验不同添加量的云母粉对水性工业涂料的耐中性盐雾和连续冷凝性能的影响。实验配方见表3。

表3 云母粉加量试验配方

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1.3.4  云母粉替代水性工业涂料中防锈颜料试验

对云母粉7#的径厚比和粒度集中度指标进行优化和改进后,获得云母粉9#(格锐GF-3)和云母粉10#(格锐GF-302)。分别验证云母粉9#和10#替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的防腐性能。实验配方见表4,云母粉7#、9#和10#的径厚比和粒度集中度对比见表5。

表4 防锈颜料替代试验配方

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1.3.5 涂层性能测试

涂膜性能测试要求参照HG/T 5176-2017《钢结构用水性防腐涂层配套体系性能要求》。

连续冷凝试验参照GB/T 13893-2008的规定进行,试验结束后取出样板观察如出现起泡、生锈、开裂和剥落等涂膜病态现象,按GB/T 1766-2008进行描述。

耐中性盐雾试验参照GB/T 1771-2007的规定进行,试验结束后取出样板观察如出现起泡、生锈、开裂和剥落等涂膜病态现象,按GB/T 1766-2008进行描述,试板四周边缘、板孔周围5mm以内及外来因素引起的破坏现象不做考虑。

为提高耐中性盐雾试验的效率,样品未采用配套涂层,而改为单层喷涂60微米,并对试板进行划线检测。

2、结果与讨论

2.1  云母粉对水性工业涂料防腐性能的影响

2.1.1连续冷凝试验结果

在水性工业涂料配方中添加云母粉,进行连续冷凝试验测试。测试结果表明云母粉1#、2#和8#的连续冷凝性能与空白组基本一致,没有明显提升。而云母粉3#、4#、5#、6#和7#则较空白组均有明显提升,其中云母粉5#、6#和7#的连续冷凝性能较为突出,分别达到了280h,300h 和256h。试验结果见图1。

图1云母粉对水性工业涂料的连续冷凝性能的影响

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空白组、云母粉1#、2#和8#的连续冷凝试验120h起泡;云母粉3#、4#到168h起泡;云母粉7#到256h起泡;云母粉5#到280h起泡;云母粉6#可做到300h。

2.1.2 耐中性盐雾试验结果

在水性工业涂料配方中添加云母粉,进行耐中性盐雾性能测试。测试结果表明云母粉1#~8#的耐中性盐雾性能较空白组均有不同程度的提升,其中云母粉3#、4#、5#、6#和7#的性能提升较为明显。试验结果见图2。

图2云母粉对水性工业涂料的耐中性盐雾性能的影响

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空白组实验177h起泡严重;云母粉1#、2#、8#试验297h起泡;云母粉7#到393h起泡;云母粉3#、4#、5#到420h起泡;云母粉6#可做到468h。

2.1.3 云母粉对水性工业涂料防腐性能的影响

云母粉对水性工业涂料的连续冷凝和耐中性盐雾性能的影响的试验结果见图3。

图3 不同种类的云母粉对水性工业涂料的防腐性能的影响

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从图3可知,作为典型片状异型材料的云母,能够明显改善水性工业涂料的防腐性能。同时,云母粉的径厚比和粒度集中度等指标因素[4]对水性工业涂料的防腐性能改善效果有重要的影响。

2.2 云母粉添加量对防腐性能的影响

综合考察云母粉对水性工业涂料的连续冷凝和耐中性盐雾性能的改善效果,云母粉5#、6#和7#整体较为突出。对比云母粉5#、6#和7#的应用性能和成本的经济性后,以云母粉5#和7#进行不同添加量的防腐性能试验。

2.2.1 连续冷凝试验结果

不同添加量的云母粉5#和7#对水性工业涂料的连续冷凝性能影响结果见图4。

图4 云母粉添加量对水性工业涂料连续冷凝性能的影响

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1#在70h左右开始起泡;2#在120h左右开始起泡;3#在195h左右开始起泡;4#在165h左右开始起泡。前期实验7#云母粉在12.5%添加量下连续冷凝性能可达256h。

2.2.2 耐中性盐雾试验结果

不同添加量的云母粉5#和7#对水性工业涂料的耐中性盐雾性能影响结果见图5。

图5  云母粉添加量对水性工业涂料耐中性盐雾性能的影响

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1#在120h左右腐蚀蔓延;2#在168h左右腐蚀蔓延;3#、4#在240h左右腐蚀蔓延。前期实验7#云母粉在12.5%加量盐雾可达393h。

2.2.3 云母粉添加量对防腐性能的影响

不同添加量的云母粉5#和7#对水性工业涂料的连续冷凝性能影响结果见图6。

图6  云母粉添加量对水性工业涂料性能的影响

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从图4、图5、图6可以看出,随着云母粉7#的添加量从5%、7.5%、10%、12%提升,连续冷凝性能和耐中性盐雾呈现上升趋势。说明在12%加量以下,云母粉对其它填料(硫酸钡、滑石粉、高岭土等)的替代可以提高凝露和盐雾性能。

云母粉5#在7.5%加量下的凝露和盐雾性能未达到第一阶段试验12%加量的水平,验证了云母粉7#的梯度加量性能对比实验,但另一方面同等对比在低添加量(7.5%)条件下,云母粉5#效果优于云母粉7# 。

结合云母粉5#和7#的径厚比和粒径集中度指标,表明云母粉的径厚比大、粒径分布集中,对水性工业涂料的连续冷凝和耐中性盐雾性能改善更好。

2.3云母粉替代防锈颜料对防腐性能的影响

基于前述云母粉径厚比和粒径分布集中度对水性工业涂料的连续冷凝和耐中性盐雾性能的影响,通过云母粉的生产工艺和技术调整,对云母粉7#的径厚比和粒度集中度指标进行优化和改进后,获得云母粉9#(滁州格锐GF-3)和云母粉10#(滁格锐GF-302)。分别验证了云母粉9#和10#替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的可行性以及替代比例。

2.3.1连续冷凝试验结果

云母粉9#和10#替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的连续冷凝试验结果见图7。

图7 云母粉替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的连续冷凝试验

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1#在310h左右开始起泡;2#在290h左右开始起泡;3#在208h左右开始起泡;4#在310h左右开始起泡;5#在265h左右开始起泡;6#在200h左右开始起泡。

2.3.2耐中性盐雾试验结果

云母粉9#和10#替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的耐中性盐雾试验结果见图8。

图8 云母粉替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的耐中性盐雾试验

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1#在525h左右腐蚀蔓延;2#在475h左右腐蚀蔓延;3#在260h左右腐蚀蔓延;4#在525h左右腐蚀蔓延;5#在460h左右腐蚀蔓延;6#在255h左右腐蚀蔓延。

2.3.3 云母粉替代防锈颜料对防腐性能的影响

云母粉9#和10#替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的防腐性能试验结果见图9。

图9  云母粉替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌的防腐性能试验

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从图7、图8和图9可以看出,品质优异的片状云母粉部分替代防锈颜料磷酸锌的情况下,耐中性盐雾和连续凝露性能随替代量增大而下降。在替代量20%以下时性能略微下降,达到C4-M的要求;随着替代量增大,超过50%时性能下降明显。

参考2、5配方的云母粉7#(滁州格锐GF-301)连续冷凝试验216h起泡,耐中性盐雾384h起泡。综合连续冷凝试验和耐中性盐雾试验可以看出,云母粉9#(滁州格锐GF-3)优于云母粉10#(滁州格锐GF-302)优于云母粉7#(滁州格锐GF-301)。说明云母粉7#(滁州格锐GF-301)的径厚比和粒径分布集中度优化改进后,防腐性能有明显提升。

3、结语

(1)GF-系列云母粉,能够明显改善水性工业涂料的连续冷凝性能和耐中性盐雾性能。在一定的范围内,随着云母添加量的增高,连续冷凝性能和耐中性盐雾性能均呈现上升趋势。建议添加量在12%以上,最终依据应用配方和性能要求确定。

(2)云母粉的径厚比和粒径分布集中度对水性工业涂料的连续冷凝性能和耐中性盐雾性能有重要影响。云母粉的径厚比大、粒径分布集中度高,对水性工业涂料的连续冷凝性能和耐中性盐雾性能改善更明显。

(3)GF-系列云母粉,可以部分替代水性工业涂料中防锈颜料磷酸锌,降低使用成本。在替代量20%以下时,水性工业涂料的连续冷凝性能和耐中性盐雾性能可以达到C4-M的要求。


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