快干型环氧固化剂在水性环氧底漆中的应用

段 华，刘逸昕 （上海华谊精细化工有限公司技术中心，上海 200062）

0 引言

随着国家环保力度的加强以及人们环保意识的提高，涂料行业近些年面临重大转型，溶剂型涂料逐步向粉末化、水性化、高固含量、辐射固化等相对环保的方向转变，其中涂料的水性化也是近年来较为火热的一个研究方向。由于水性涂料以水充当溶剂，使得水性涂料具有挥发性气体少、施工时气味可接受度高、不易燃等优点。水性环氧涂料由于其优异的附着力和耐腐蚀性，被广泛用于轨道交通、工程器械、海洋防腐等领域［1-2］。

水性环氧涂料一般由环氧树脂和固化剂搭配使用才能达到漆膜交联的效果。虽然环氧树脂是构成漆膜的主体，但是环氧固化剂在其中扮演的角色也是至关重要的，其组成和结构也会直接影响涂膜的物理和化学性能。早期的环氧固化剂大多数为小分子胺，由于小分子胺具有挥发性强、毒性大、活化期长、使用有效期短等缺点，后续研究者通过对小分子胺改性得到新型的胺，并将其应用于环氧涂料中，有效地解决了上述问题［3-5］。

改性的水性环氧固化剂可分为离子型和非离子型两种。离子型水性固化剂主要通过成盐来提高固化剂的亲水性，该研发相对较早，离子型水性固化剂的制备主要有两种方法：（1）在环氧树脂分子链上引入酸性功能基团（甲基丙烯酸、苯乙烯丙烯酸等）进行改性［6］；（2）在环氧树脂两端引入多元胺，然后通过单环氧基的化合物对端氨基封端，最后加入有机酸中和成盐实现水性化［7-10］，其制备示意图见图1。

图1 离子型环氧固化剂的制备Figure 1 Preparation of ionic epoxy curing agent

虽然离子型水性环氧固化剂已经取得了不错的应用，但其在使用过程中受环境酸碱度的影响较大，例如：配合碱性填料使用时易出现失稳现象，成盐过程时加入的有机酸会降低涂膜的耐水性和耐腐蚀性。研究者希望开发非离子型水性环氧固化剂以克服上述离子型固化剂的缺点。非离子型水性环氧固化剂由于其优异的稳定性和耐腐蚀性而受到很大的关注。

非离子型环氧固化剂的设计思路主要是通过将非离子型的亲水链段（聚乙二醇、聚醚多元醇、聚乙二醇二缩水甘油醚、聚醚胺等）引入到固化剂中以提高固化剂的亲水性［11-14］。亲水链段的引入不仅可以提高固化剂的亲水性，当亲水链段的柔性较好时，还可以提高漆膜的柔韧性。图2给出了将亲水链段引入固化剂中的两种常见方法，一种是将亲水链段作为支链引入，另外一种是将亲水链段作为嵌段直接引入直链中，这两种方法都能够有效地提高固化剂的亲水性，且由于含有部分环氧链段，其与环氧树脂的相容性也较好。

图2 非离子型水性固化剂的制备Figure 2 Preparation of non-ionic water-based curing agent

本研究采用自制的新型脂肪胺改性的非离子型环氧固化剂STW703K为目标固化剂，与上海华谊精细化工有限公司的STW602水性环氧乳液配合使用制备一种具有抗腐蚀性能的环氧底漆，并与市售固化剂的性能进行比较，考察其相关的漆膜性能。

1 试验部分

1.1 主要原料

STW602水性环氧乳液，上海华谊精细化工有限公司；STW703K快干型环氧固化剂，自制；快干型固化剂，市售。

1.2 主要试验设备

分散机，上海赛杰化工设备有限公司；篮式砂磨机、漆膜柔韧性测定器，上海现代环境工程技术有限公司；Q-FOG盐雾箱，上海翁开尔仪器有限公司；4430光泽仪，德国BYK公司；冲击测试机，上海右一仪器有限公司；膜厚仪，德国EPK公司。

1.3 试验配方

颜填料浆的配方见表1。水性环氧防腐涂料A组分的配方见表2。

1.4 底漆的制备

（1） 颜填料浆的制备：将表1中的原料加入至砂磨缸中，通过篮式砂磨机研磨至细度小于25 μm，过滤得到颜填料浆。

表1 颜填料浆的配方Table 1 The formulation of pigment/filler paste

（2） 环氧底漆A组分的制备：将表2中的原料加入至砂磨缸中，搅拌分散均匀，即可。

表2 水性环氧防腐涂料A组分的配方Table 2 The formula of component A of water-based epoxy anti-corrosive coatings

（3） 环氧底漆的制备：STW703K固化剂和竞品均不需要稀释，直接使用。将A组分与固化剂按照环氧基团与活泼氢的物质的量之比为1.2∶1的比例混合，搅拌均匀，并通过加入去离子水调至适合喷涂的黏度，过滤出料。

STW703K固化剂的性能参数见表3。

表3 STW703K固化剂的性能参数Table 3 Performance parameters of STW703K curing agent

1.5 涂膜的制备

首先将钢板打磨至标准粗糙度，然后用乙醇擦拭其表面，晾干后备用。将制得的底漆通过空气喷涂的方法制备样板，并记录表干时间。待样板表干后置于温度（23±2）℃、湿度（50±5）%的环境下养护7 d后，进行相关性能的测试。

1.6 主要性能测试方法

漆膜的制备：参照GB/T 1727—1992《漆膜一般制备法》制备漆膜；

膜厚：参照GB/T 13452.2—2008《色漆和清漆漆膜厚度的测定》进行测定；

漆膜干燥时间：参照GB/T 1728—1979《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》进行测定；

漆膜的划格试验：参照GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》进行测定；

漆膜硬度：参照GB/T 6739—2006《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》进行测定；

漆膜柔韧性能：参照GB/T 1731—1993《漆膜柔韧性测定法》进行测定；

漆膜耐冲击性：参照GB/T 1732—1993《漆膜耐冲击性测定方法》进行测定；

漆膜耐盐雾性：参照GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》进行测定；

漆膜耐水性：参照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》进行测定；

漆膜耐液体介质性：参照GB/T 9274—1988《色漆和清漆 耐液体介质的测定》进行测定。

2 试验结果与分析

2.1 常规性能

样品的常规性能测试结果见表4。

表4 样品的常规性能测试结果Table 4 The results of routine performance of the samples

目前，快干漆的市场需求量很大，较快的表干时间可以有效地节约工时，节省能源，提高漆膜的涂覆效率。由表4可见，由自制快干型固化剂STW703K制备的漆板光泽较低，但是表干速度较快。由市售的快干固化剂制备的漆板的光泽相对较高，表干时间也较短。两种固化剂所制备漆膜的附着力都较好，硬度可达到2H级，抗冲击性能≥50 cm。影响涂料光泽的因素较多，其中漆膜表面的平整度对光泽有一定的影响，当漆膜表面平整度较差时，容易导致漆膜的光泽较低［15］。因此，推测自制固化剂制备样板光泽较差可能是由于其表面干燥速度过快，导致漆膜的平整度相对较差而引起的。因为环氧底漆一般需覆涂面漆，最终漆膜的光泽受面漆影响较大，因而底漆的光泽对整体涂装的效果影响不大。

2.2 漆膜耐3 % NaCl水溶液性

对漆膜进行耐盐水性能测试是检验漆膜耐腐蚀性能的一个重要方法。分别用自制固化剂STW703K和市售固化剂制备样板，膜厚（45±5）μm。将样板放入3 %的NaCl水溶液中，静置360 h后取出观察，两块样板表面状态良好，均未出现剥落、起皱、起泡、变色及生锈的现象，证明这两种快干固化剂所制备漆膜的耐3 % NaCl水溶液的性能均较佳。

2.3 漆膜耐50 ℃热水性能测试

漆膜耐水性试验用于评定漆膜抵抗水的渗透而不被破坏的能力，一般有常温法和加温法两种，加温法可以有效提高试验效率。由两种固化剂制备的样板在50 ℃热水中存放360 h后表面完好，均未出现剥落、起泡及锈蚀的现象。因此，这两种固化剂制备的漆膜的耐50 ℃热水性能均较佳。

2.4 漆膜耐中性盐雾性能测试

由两种不同的固化剂所制样板的耐中性盐雾性能测试结果见图3。由图3可见，自制固化剂制备的漆膜在耐中性盐雾400 h后的状态较好，没有出现剥落、起泡等，而市售的快干型固化剂在划线处出现了较为严重的扩蚀。除划线附近外，其余地方整板的状态均较好，没有出现气泡、起皱、剥落的现象。由自制快干型固化剂制备的漆膜耐盐雾性能明显优于前者，对于后续在抗腐蚀性能有要求的领域具有很好的应用前景。

图3 两种不同固化剂所制板的耐中性盐雾性能（402 h）Figure 3 Neutral salt spray resistance of the films respectively made by two different curing agents（402 h）

2.5 漆膜耐5 % NaOH水溶液测试

漆膜耐化学品性是漆膜对酸、碱、盐等工业化学品侵蚀的抵抗能力，本研究对漆膜进行了耐5 %NaOH水溶液的性能测试（24 h和48 h），结果见图4。

图4 两种不同固化剂所制漆膜耐5 % NaOH水溶液试验Figure 4 5 % NaOH solution resistance of the films respectively made by two different curing agents

由图4可见，市售快干固化剂制备的样板在24 h时发现有部分小气泡（图4a），随着时间的延长，当浸泡了48 h时，漆膜出现了大量的气泡（图4c）。而由703K固化剂制备的样板耐5 % NaOH水溶液中浸泡48 h后，样板面依然完好，无气泡、无锈蚀。后期继续跟踪到500 h，STW703K所制板的耐5 % NaOH水溶液性能依然良好。

3 结语

本研究重点探讨了两种快干型环氧固化剂在水性环氧底漆中的应用，对漆膜的常规性能、耐盐雾性能、耐3 % NaCl水溶液性能、耐50 ℃热水性能、耐5 % NaOH水溶液性能进行了研究。

自制快干型固化剂STW703K和市售快干固化剂所制样板的表干时间短；漆膜机械性能良好；对本研究配方而言，自制快干型固化剂的耐盐雾性能优于竞品；两种固化剂制备样板的耐3 % NaCl水溶液性能和50 ℃热水性能均较好，可达360 h以上；自制快干型固化剂制备漆膜的耐碱性明显优于市售固化剂所制漆膜。