水性新材料的应用

新型防锈颜料立钛粉在工业涂料中的应用李焕(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，从而综合评价了立钛粉的高效性能，在工业涂料中具有很大的应用前景。关键字：防锈颜料新型立钛粉工业涂料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，人们对涂料的环保型和高效性提出了更高的要求。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，新型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。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)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。(2)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。(3)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技术改进迫在眉睫，综合性能优异的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防锈颜料-------立钛粉。2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，从而提高涂料的防腐性能。立钛粉的电镜照片如图4所示：图4立钛粉的电镜照片2.4立钛粉的性能特点传统的离子交换型硅胶防锈颜料价格普遍较高，而且吸油量偏大。其次其由于偏碱性，容易与吸附酸性催化剂的活性，而影响涂料的固化。所以很大程度上影响了其使用。然而立钛粉新型防锈颜料是在传统离子交换型防锈颜料的基础上进行了表面改性，利用改性剂对表面进行修饰，所以在性能上有了很大的改善，解决了传统型离子交换型防锈颜料的缺点。立钛粉新型防锈颜料和传统离子交换型防锈颜料的性能比较如表一所示。表一立钛粉的性能比较柱形结构片状结构球形结构性能比较立钛粉新型防锈颜料传统的防锈性能优异优异贮存稳定性优异优异吸油量适中（12～18g/100g）很高（≥25g/100g）酸碱度中性碱性遮盖性能一定的遮盖力（40～60g/m2）遮盖力弱从表中比较来看，立钛粉新型防锈颜料通过表面修饰大大的改善了便面的比表面积，从而大大的降低了颜料的吸油量。同时，由于改性剂的便面修饰，提高了粒子的光折射性，所以在很大程度上提高了其遮盖力，在有效的提供防腐性能的基础上，可以降低涂料的成本。3立钛粉的性能讨论与分析3.1立钛粉的防腐蚀性能为了检验立钛粉的性能特点，我们将立钛粉和传统防锈颜料红丹和磷酸锌进行比较。3.1.1与红丹防锈颜料进行比较红丹是很典型的传统防锈颜料，但是其不环保性大大的限制了它的应用，如果能够研制出绿色环保高效的新型防锈颜料，在保证防腐性能的同时，扩大其应用领域，那么对于现代工业涂料的发展能够起到很大的推动作用。现将立钛粉和传统防锈颜料进行对比试验，配方如表二所示，这个配方的特点是：用于钢铁表面的防锈底漆,属于渗入型带锈防锈底漆，在钢铁表面除锈不太彻底的情况下也能很好的保护钢铁表面的生锈。表二醇酸红丹防锈漆配方原材料供应商质量份数/份传统红丹漆新型防锈颜料醇酸树脂389-9（50%）通用型号3030红丹粉（纯度≥98%）市售60/立钛粉安徽奥邦/60永固橙G市售/3滑石粉市售66高效催干剂市售0.10.1抗结皮剂市售0.20.2二甲苯市售1212表三醇酸红丹防锈漆性能比较项目漆用性能检测方法红丹漆新型防锈颜料漆不挥发份/%7575GB/T1725-2007干性/h表干2.01.5GB/T1728-1989实干2322GB/T1728-1989附着力/级21GB/T1720-1989贮存稳定性（120S，50℃，天）20天出现分层且有少量实底30天略分层，无实底/柔韧性/mm11GB/T1731-1993防锈性能盐雾试验＞300h，无起泡生锈＞300h，无起泡生锈GB/T1771-2007盐水试验≥1500h无变化≥1500h无变化GB/T5209-1985通过以上两个比较实验可以看出，在性能上立钛粉的防腐性能能够达到红丹的效果，而且油漆的贮存稳定性有很大的提升。同时，但是立钛粉价格较红丹要低的多，性能相当，在很大程度了降低了油漆的成本。3.1.2与磷酸锌进行比较磷酸锌在传统的防锈颜料中应用是非常广泛的，其环保性，和后期良好的防锈性能在工业涂料中起到了很好的作用。但是其价格较高，在一般的工业涂料中应用也收到了一定的限制。下面采用一个典型的车间钢结构防锈底漆的配方，来对磷酸锌和立钛粉进行比较。该配方的特点是，可以用于车间钢结构防腐底漆，可以直接焊接，并且防锈性能稳定，成本能较低，产品的适应性较强。且环保不含重金属。其配方如表四表五所示。其性能对比如表六所示。表四铁红车间可焊接环氧防锈底漆A组分配方原材料供应商质量份数/份磷酸锌配方新型防锈颜料配方环氧树脂（双酚A，50%）市售180180气相二氧化硅Aerosil300Degussa1010超细滑石粉市售230230立钛粉安徽奥邦/100磷酸锌PZ20Couleurs100/氧化铁红ABF安徽奥邦120120改性膨润土BENTONE27NL1010甲苯工业品230230异丙醇工业品120120合计工业品10001000表五铁红车间可焊接环氧防锈底漆B组分配方原材料供应商质量份数/份固化剂Euredur424Schering24甲苯工业品17异丙醇工业品7铁红车间可焊接环氧防锈底漆A、B组分施工配比为A:B=2:1。表6铁红车间可焊接环氧防锈底漆性能检测项目漆用性能检测方法磷酸锌新型防锈颜料漆不挥发份/%6666GB/T1725-2007适用期/h66/贮存稳定性10出现分层且有实底30天略分层，无实底/（120S，50℃，天）附着力/级11GB/T1720-1989抗冲击/mm5050GB/T1732-1993柔韧性/mm22GB/T1731-1993防锈性能盐雾试验＞570h无起泡、生锈＞550h无起泡、生锈GB/T1771-2007盐水试验≥3000h无变化≥3000h无变化GB/T5209-1985从表中可以看出，立钛粉和磷酸锌的性能相当，而且在贮存稳定性方面较磷酸锌制作的涂料有很大的提升。3.1.3水性工业防腐底漆在水性工业防锈漆方面，立钛粉也表现出了很好的优势，无论是在抗闪锈和后期防锈性能上，立钛粉的表现依然优异。我们采用了典型的水性铁红防锈底漆来进行比较，具体的制作生产工艺如下：（1）水性颜料浆表七水性颜料浆配方原材料产地配方1配方2去离子水150150二甘醇甲醚市售2020分散剂681罗门哈斯1515防腐剂市售22消泡剂市售22非离子表面活性剂市售22增稠剂市售1~21~228%氨水市售1~21~2立钛粉安徽奥邦100/磷酸锌Couleurs/60三聚磷酸铝Couleurs/40铁红ABF-130安徽奥邦100100重钙市售120120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