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新型水性防锈颜料在水性涂料中的应用

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发表于 2016-9-9 09:53:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
李焕  刘昌虎
(安徽奥邦新材料有限公司,246306)
摘要:本文从防锈颜料的防锈机理入手,着重分析了现代防锈颜料的发展趋势,通过应用实例介绍评价了新型水性防锈颜料立钛粉的综合性能,以及其在水性工业涂料中的广泛应用。
关键字:水性防锈颜料 新型 立钛粉 水性涂料
0 前言
防腐涂料是现代工业上最经济,最有效的防护手段之一,其在现代工业涂料中不可或缺的部分。随着社会的不断进步,人们对环境保护和人身安全的不断重视,人们对涂料的环保性和水性化提出了更高的要求。而组成防腐涂料重要的组成部分的防腐颜料也越来越多的得到更多人的重视,开发新型水性环保的防腐颜料是目前研究的重点。

1 防锈颜料的基本概况
1.1防锈颜料作用机理
在工业涂料中防腐蚀涂料对金属底材的保护主要是三种形式:屏蔽作用、缓蚀作用和阴极保护(电化学保护)作用[1]。根据防锈颜料的的主要功能可以分为:物理性防锈和化学性防锈,其中化学性防锈颜料又可以分为缓蚀型和电化学作用型两种颜料[2]。
1.1.1屏蔽作用
由于在防腐蚀涂料的成膜过程中对底材的润湿程度、表面张力的均衡、溶剂的残留以及施工等因素的影响,涂料漆膜都存在一定的透水性和吸水性。这就大大的增加了水、氧气和离子渗透的几率,而这些都是造成金属底材腐蚀的主要原因。所以在涂料中增加片状颜料能有效的屏蔽水、氧气和离子等腐蚀因子透过,切断涂层中的毛细孔。从而阻断或延长腐蚀介质的深入的途径,从而提高涂层的防腐蚀能力。例如氧化铁红、云母粉、铝粉、云母氧化铁、玻璃鳞片、不锈钢鳞片等[3]。
                              
图1 屏蔽作用
1.1.2缓蚀作用
漆膜中某些防锈颜料本身或其与成膜物或水分的反应产物,对金属底材可以起缓蚀作用,实质就是阻缓阳极反应,最典型的就是钝化作用和磷化作用。传统的防锈颜料如铬酸盐防锈颜料、铅系防锈颜料、磷酸盐防锈颜料。

图2  缓释作用
1.1.3阴极保护作用
在涂层中加入对钢铁底材能成为牺牲阳极的金属颜料其用量又足以使金属颜料与金属表面之间达到电接触程度,便能使金属免受腐蚀。典型的就是富锌涂料。利用锌粉在钢铁表面形成导电保护层,形成由锌粉和底材钢板组成的电池,电流从锌流向铁,从而使底材受到了阴极保护,同时锌的腐蚀产物为锌盐和锌的络合物,这些生成物是难溶稳定的化合物,聚集在涂层中,涂层的屏蔽作用也得到了增强,从而起到了防锈效果。


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 楼主| 发表于 2016-9-9 09:54:09 | 显示全部楼层
1.2 防锈颜料的现状
随着人们的生活水平的提高和越来越多的使用要求,对颜料的使用越来越严格。不光是防锈效果的要求,更多的是环保性的要求。传统防锈颜料的使用受到了很大的限制,尤其是铅系防锈颜料(红丹)、铬酸盐系列(锌铬黄等),其本身的防锈性能稳定,但是其对人体的伤害和对环境的影响是很大的,例如红丹,其防锈作用很好,有其是其能吸收硫酸根离子,对大气环境中德尔腐蚀作用很有意义,但是其毒性很大,长期摄入能引起中毒性肝病、肾病、贫血。慢性中毒对神经系统的损伤也很大。目前基本上被其他无铅防锈 颜料所替代。
目前防锈颜料市场使用的主要防锈颜料有:氧化铁系列产品、锌粉、磷酸盐系列产品、片状结构类产品。
1.3 防锈颜料的发展趋势
随着环境友好型颜料的需求越来越大,对防锈颜料的开发也越来越来越多,开发新型的高效环保的防锈颜料形势也越来越迫切,其主要的性能要求如下:
(1)水性化
随着涂料水性化的要求越来越高,传统的防锈颜料虽然能够应用于水性体系中,但是暴漏了很多的问题,尤其是对水性体系的稳定性具有很大的影响。水性体系和油性体系本身有本质的不同,传统的防腐颜料在用于水性体系中时,需要作出相对应的调整,才能发挥其应有的作用。所以对于传统防锈颜料的改性处理显得尤为重要。
(2) 环保性
近年来,环境的越来越恶化,人们的环保意识的增强和环保法规的出台,颜料的环境友好型是目前各种颜料发展的必然趋势。目前发展最多的是磷酸盐系列、钼酸盐等。但是欧盟环保规范1999/45/EC规定:涂料中锌的化合物(如氧化锌。磷酸锌等)如果超过规定的量,必须在包装容器中表示出来。从而限制了磷酸锌及其衍生物的使用也受到了限制。同时欧盟于2008~2010年分布实施的REACH法规旨在禁止或限制所使用的任何被认定的有毒害的化学品。所以防腐涂料技术引进环境友好型的产品取代含重金属和有毒化合物的防锈颜料(六价铬和含锌化合物等)的形势越来越严峻。
(3)低成本
目前随着市场竞争越来越激烈,各个生产企业对颜料的选择的选择也越来越严格,尤其是高性价比的产品的需求也越来越大。而目前市场上很多产品虽然性能很优异,但是价格也十分昂贵,在成本方面也大大的限制了其使用,所以开发出高效低成本的产品也是未来防锈颜料发展的一个重要的发展趋势。
(4)高性能
目前防锈市场的产品,很多都是单一性能需求的产品为主,很多时候在使用时如果使用单一的防锈颜料很难达到性能需求,其防锈效果也很有限。而很多客户在追求性能的同时不得不增加其用量,但是效果还不是很明显,造成了成本的增加。为了避免在使用过程中的使用过剩,这就要求防锈颜料的具有多重防锈的效果,减少产品的使用。这不仅可以降低成本,还能大大的节省各种资源,降低能耗。
根据以上的性能需求来看,对传统型防锈颜料进行水性化技术改进迫在眉睫,综合性能优异的新型水性防锈颜料是未来防锈颜料市场的主要的发展方向,下面介绍一种新型的综合性能优异的新型水性防锈防锈颜料-------立钛粉。
2新型防锈颜料立钛粉的防锈机理
2.1 立钛粉
立钛粉是一种改性离子交换型硅胶防锈颜料是利用腐蚀性电解质进入涂膜时,即与该防锈颜料接触,颜料就将这种腐蚀性离子截获在二氧化硅表面上,并释放出相应的钙离子转移到金属底材上,当此过程持续进行时,则钙离子层就堆积在金属与涂层的界面上,从而起着阻隔作用而保护了底材,又增强了涂层的附着力,使涂料的防腐性能大大增强。
2.2  立钛粉的防锈机理
   立钛粉是一种无机硅酸盐类防锈颜料,其以二氧化硅为主体,进行表面修饰,使其具有一定的活性,在腐蚀性因子如氯离子、水和氧气等侵蚀到钢铁表面时,将Fe进行氧化腐蚀时,使涂料与底材的临界面形成了微电池结构,此时二氧化硅上的活性成分被激活,使二氧化硅部分溶解成硅酸根离子,硅酸根离子在与铁离子进行反应,生成硅酸铁,硅酸铁沉积在底材表面和涂层的空隙中,对底材进行了保护的同时,还有效的增强了涂层的致密性。具体的防锈机理如图一所示:
  
图3   立钛粉新型防锈颜料防锈机理
2.3立钛粉的结构特点
立钛粉是一种由三种规则的结构粒子组成,三种结构粒子分别为球形结构、片状结构和针状结构。这三种结构有机的组合在一起,片状结构能起到屏蔽作用,并提供离子交换的场所和粒子改性场所,使粒子有很好的综合性能。而柱形结构对片状结构提供很好的有力支撑,提高涂料的防沉性能,并能很好的补强涂膜的综合性能。球形结构则能有效的填补漆膜的中微小的空隙,使形成致密的涂层,从而提在水性涂料的防腐性能。立钛粉的电镜照片如图4所示:

   

图4立钛粉的电镜照片
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 楼主| 发表于 2016-9-9 09:54:58 | 显示全部楼层
2.4  立钛粉的性能特点
根据以上结构特点分析,立钛粉能够广泛应用于水性工业涂料中,具有很好的适用性,同时具有高效环保,防锈性能优异,能有效的增强涂层的致密性,对耐盐水和盐雾性能提高明显,而且防锈能力持久稳定,遮盖力高、分散性好,悬浮性优异,具有很好的贮存稳定,综合性能优异。
3   立钛粉的应用实例分析
     下面介绍目前市场客户需求设计的水性钢结构用醇酸漆的配方,全面的介绍了新型立钛粉在水性涂料中的应用。
3.1.水性钢结构醇酸漆的制备
3.1.1 颜料浆的制作
表一 水性钢结构醇酸漆颜料浆配方
原材料        产地        配方        备注
去离子水        /        100        
分散剂681        罗门哈斯        1        
防腐剂        市售        2        
消泡剂        市售        2        
润湿分散剂        市售        1        
增稠剂        市售        1~2        根据具体情况酌情添加
水性立钛粉        安徽奥邦        120        根据不同点的颜色要求进行选择
重钙        市售        24        
云母粉        市售        36        
注:根据具体的颜色需要选择相应的产品,红丹色—ABH型水性立钛粉;中灰色---ABP型水性立钛粉;其他颜色可选择ABT型白色立钛粉进行相应的调色处理。
操作要点:在低速搅拌下按顺序加入上述原材料至拉缸中,在加入颜料之前将水和助剂搅拌5分钟再加入颜料高速分散,使细度达到要求,如果高速分散不能达到细度要求,可以使用砂磨使细度达到要求。
3.1.2水性钢结构醇酸漆的制备
表二 水性钢结构醇酸漆的制备
原材料        产地        配方        备注
水性醇酸树脂        市售        140        /
PDGA        市售        10        /
改性环氧酯        市售        28        /
水性催干剂        市售        4        /
在搅拌下在第一部浆料中一次加入上述原材料,均匀混合即可,过滤包装。

3.2   水性钢结构醇酸漆的性能指标
表三 水性醇酸漆的性能测试结果
检测项目        检测方法        ABH型        ABP型        ABT型
冻融稳定性,三个周期        GB/T 9268-2008
通过        通过        通过
热稳定型        60℃,2周        通过        通过        通过
附着力,级        GB/T 1720-1989        1        1        1
抗冲击,mm        GB/T 1732-1993        50        50        50
柔韧性,mm        GB/T 1731-1993        1        1        1
干燥时间        表干,h        GB/T 1728        1        1        1
        实干,h        GB/T 1728        3        3        3
防锈性能        盐雾试验        GB/T 1771-2007        ≥240小时        ≥210小时        ≥185小时
        盐水试验        GB/T 5209-1985        ≥380小时无变化        ≥300小时无变化        ≥260小时无变化

3.3.配方的主要特点
    从以上性能数据可以看出,该水性钢结构醇酸漆的配方有如下的特点,
1)立钛粉具有多样性,能广泛用于钢结构和机械表面的水性防锈涂料,能性能优异
2)具有很强的防腐性能,其能很好的补强水性涂料的缺陷,耐水性和耐耐盐雾性能优异;
3)该配方可氧化交联成膜,具有较快的表干和实干速度;
4)立钛粉独特的结构特点鲜明,很好的改善了水性涂料的储存稳定性和综合性能;
      5)良好的施工性,可以喷涂,刷涂,辊涂施工。
综上所述,新型水性防锈颜料立钛粉独特的结构设计和表面处理工艺,能够很好的改善水性工业涂料的综合性能。在大大提高了防腐性能的同时能够提高涂料的贮存稳定性,使涂料的综合性能得到很大的提升,满足了市场的需要。

参考文献
[1]孙亚枚,果钢.钢结构用防腐蚀涂料[J]. 上海涂料, 2011(05):56-58.
[2]李祥超,汪耿豪,杨红波,等.防锈颜料的研究与应用展望[J]. 化学工业, 2012(03):17-20.
[3]刘幼平.设备腐蚀与控制技术(九) 第八讲 防腐蚀涂料[J].设备管理&维修, 1998(02):47-50.
[4]赵金榜.对环境友好的防锈颜料及作用机理[J]. 现代涂料与涂装, 2002(02) :38-40.
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