水分散型环氧- 聚丙烯酸酯重防腐蚀涂料

data-full-width-responsive="true"> 水分散型环氧- 聚丙烯酸酯重防腐蚀涂料穆 颖1，常 春2，钟 涛2，周 铭1，2（1 常州市润品聚合物科技有限公司，江苏常州 213016 ；2 江苏荣昌新材料科技有限公司，江苏扬中 212221）0 引言涂料防腐是金属防护最重要的手段之一。一般情况下，涂料防腐的出发点主要在于对水与氧化物或络离子的屏蔽。在这些条件中，如果没有水的存在，通常即使存在诸多的腐蚀性介质，腐蚀也难以发生，所以屏蔽水的能力是防腐涂料配方设计的基础条件。然而基于水性涂料中成膜基料与助剂自身结构亲水性的局限，水性涂料的防腐一直受到这样或那样的限制，尤其在重防腐蚀领域。调查发现，目前石化装置绝大多数建在水边，尤其是沿海地区的大型化工基地，这些地方相对较高的空气湿度伴随各类腐蚀性介质的共存，导致腐蚀极易发生，因而目前设计石化装置防腐涂料除水性无机富锌涂料外，水溶性或水分散型树脂作为成膜基料一直只是梦想而已。然而基于环保和资源短缺的压力，石化领域防腐蚀涂料水性化亦是大势所趋。鉴于此，我们在设计重防腐蚀涂层材料的过程中，利用分子重组，在结构上充分考虑涂层成膜后的疏水性的基础上，开发耐湿热与耐盐雾腐蚀的重防腐蚀涂层材料。该材料以环氧- 聚丙烯酸酯作为基础成膜物质，成膜物的结构侧链段引入疏水性的硅氧烷基团。涂料成膜后疏水链段规则排列，有效阻止水分与氯离子的进入，对促进传统水性树脂在重防腐领域的应用具有重要意义。1 涂层防腐的基本思路在自然环境中，金属尤其是钢铁腐蚀的发生主要在于环境中存在水分，及具有可与金属反应（氧化、络合等）形成疏松结构层的化合物。涂层防腐从本质上说，就是通过在金属表面形成致密层而实施对腐蚀性介质的屏蔽，如图1 所示。涂层的屏蔽作用不仅在于涂层的孔隙率与孔隙大小，也在于涂层的疏水能力及对腐蚀介质的吸收与消化能力的大小。本文讨论的涂层防护将从以下几方面入手，解决水性涂层对腐蚀性介质的屏蔽：（1） 通过功能性颜料对空气中酸性介质的选择性吸附，阻止酸性介质进入金属表面。众所周知，空气中的酸性物质以水汽或雨水作为介质，极易进入金属表面，加速金属的锈蚀，而功能性颜料对酸性介质的选择性吸附，可以大大延缓金属在户外使用的锈蚀速率，通过我们合成的钙离子交换颜料可有效起到阻止酸性介质进入金属表面的作用（图2）。理论上说，离子交换颜料的离子交换量越大，防腐时效越长；同时交换颜料的孔隙率、疏水性等因素也会影响涂层的防护周期。（2） 涂层的疏水性改善。聚合物结构的分段设计（微相结构分离）与低表面张力的分子链段引入，涂层成膜后可以形成对水分的高度屏蔽。水性分散体一般情况下因自身亲水性结构的存在，成膜后涂层具有高度的亲水性，水溶性腐蚀介质极易通过强极性基团的吸附、交换而进入金属表面，抗蚀效果与溶剂型体系相比存在巨大差异。而具有自分层结构特征的水分散型聚合物成膜后通过疏水端聚集在涂层表面，从而改善水性聚合物自身在疏水能力上的欠缺。（3） 涂层的致密性改善。在涂层中采用纳米材料可以起到两方面的作用：第一，高表面活性的纳米材料与其他涂层材料的反应，可强化涂层物质之间的连接强度；第二，小粒径的颗粒对涂层缝隙的填充。微米级的二氧化硅与纳米级的二氧化硅复合使用，不仅具有填充作用，有时可以起到部分荷叶效应，有效改善涂层的疏水性。2 成膜物结构设计采用高疏水性丙烯酸酯作为功能单体，用阴离子聚合工艺制得带有端羧基的丙烯酸酯齐聚物，然后，通过羧基与双酚A 型环氧树脂中的环氧基发生加成开环反应，制得A-B 型或A-B-A 型高疏水性环氧- 丙烯酸酯嵌段共聚物，反应方程式如下：在阴离子聚合工艺中，通过控制丙烯酸酯单体与引发剂的配比，调节丙烯酸酯齐聚物的相对分子质量；通过选用不同结构的丙烯酸酯功能单体，改善齐聚物嵌段部分的疏水性和自组装性能；此外，通过选用不同相对分子质量的环氧树脂和不同结构的固化剂，调节环氧树脂嵌段部分在基材表面的自组装和固化性能（图3）。由图3 可见：在成膜过程中，环氧- 丙烯酸酯嵌段共聚物因发生相分离而在基材表面产生自分层组装：环氧树脂嵌段部分牢固地结合在金属表面，形成涂膜下层，而丙烯酸酯齐聚物嵌段部分则形成涂膜上层。利用环氧树脂嵌段中的羟基与固化剂反应，使环氧树脂嵌段部分相互间发生交联而固化。3 涂料基本配方设计与性能分析为了充分提升涂层的致密性，减少腐蚀性介质在钢结构表面出现的几率，我们在涂层材料中引入氢化硅油。氢化硅油遇水后水解，形成硅氧烷链的同时与羟基或环氧基缩水自聚合，增加成膜物的致密性。颜填料作为涂料骨架的组分十分重要，为了强化涂层的耐水性，利用颜填料的适度皂化变得极其有意义。研究发现：在使用离子交换颜料的同时，利用树脂的酸性基团与氧化锌等含锌物质形成锌皂，不仅可以获得极好的柔韧性，同时疏水性也得到明显改善。利用实验室合成的自组结构的环氧- 聚丙烯酸酯作为成膜物的自干型防腐蚀涂料的基本配方见表1。自制水性配套体系与传统配套体系的性能对比见表2。由表2 可见：本文设计的防腐蚀涂层虽在表干时间上存在一定缺陷，其他方面则完全可以与传统配套体系相媲美，且完全实干时间还优于传统配套体系。更为值得关注的是，沿海地区雨水较多，溶剂型体系施工受到很多限制，而水性体系只要在不下雨时都可以施工，对节约施工周期很有益处。