一、水性環(huán)氧涂料的特點
水性環(huán)氧涂料主要溶劑為水，其特點如下所述。
①省資源、低污染水性環(huán)氧涂料以水代替有機溶劑。水的來源廣泛，可節(jié)省大量資源，在生產(chǎn)、運輸、涂裝過程中，基本上無污染物產(chǎn)生、無火災危險，因而有益于保護生態(tài)環(huán)境。
②被涂物件表面經(jīng)除油、除銹、磷化處理后，不必完全干燥即可涂裝。當采用電沉積施工時，對被涂物件表面處理有更嚴格的要求。施工設備、工具均可用水清洗。
③電泳涂料采用自動化電沉積施工法，涂裝效率高于噴、刷、淋、浸等施工方法，涂裝質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)生弊病較少；其他水性環(huán)氧涂料可采用噴、刷、浸等施工方法。
④水性環(huán)氧涂料中有大量的親水基團，應著力改進涂膜的耐蝕性。對于室溫干燥的水性環(huán)氧涂料，應采取有效措施，保證在規(guī)定時間內(nèi)釋放出涂膜內(nèi)的水。這是水性環(huán)氧涂料配方設計、生產(chǎn)和涂裝過程中值得關(guān)注的課題。
二、水溶性環(huán)氧涂料的配方設計
水溶性環(huán)氧涂料采用陰離子型樹脂和陽離子型樹脂做基料，陰離子型樹脂用于陽極電泳涂料，陽離子型樹脂用于陰極電泳涂料。
1.水溶性基料的合成
（1）陰離子型樹脂環(huán)氧樹脂在水性涂料中得到廣泛應用。大多數(shù)環(huán)氧樹脂都不溶于水，應將其制成水溶性環(huán)氧聚合物。使環(huán)氧樹脂水溶的最常見方法是，先將環(huán)氧樹脂與不飽和脂肪酸酯化反應制成環(huán)氧酯；然后用α，β-乙烯型不飽和二元酸（或酐）與環(huán)氧酯分子中的雙鍵加成反應引進羧基；最后經(jīng)胺（堿）中和成鹽得到水溶性聚合物——陰離子型樹脂：
 制備陰離子型樹脂時，一般選用羥基含量較高的環(huán)氧樹脂作為骨架結(jié)構(gòu)材料。環(huán)氧樹脂與酸、酸酐反應，經(jīng)胺中和后得到水溶性陰離子型樹脂：
制備水溶性陰離子型樹脂常用的環(huán)氧樹脂有E-20、E-12和E-35等。常用的脂肪酸有亞麻油酸、豆油酸、脫水蓖麻油酸等，其中亞麻油酸選用最多。常用的酸酐和羧酸有順丁烯二酸酐、反丁烯二酸和亞甲基丁二烯二酸等。
有時，利用環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基與乳酸或二羥甲基丙酸反應，在環(huán)氧樹脂分子中引入末端羥基，然后再與琥珀酸酐或偏苯三酸酐反應，引入羧基，最后加入適量的飽和脂肪酸縮水甘油酯以改進流動性和提高槽液穩(wěn)定性。
水溶性陰離子型樹脂與六甲氧基三聚氰胺等交聯(lián)劑配合，會提高涂膜的有效交聯(lián)密度（ρ）、改進耐蝕性。水溶性陰離子型樹脂分子鏈上剩余的雙鍵、羥基和羧基等活性基團與其他官能團反應，可達到改性目的。用酚醛樹脂可提高耐化學藥品性，用苯乙烯可提高硬度并增強耐電壓性及對金屬部件磷化層的適應性。利用液體環(huán)氧樹脂制備水溶性陰離子型樹脂配方見表4-1。
  （2）陽離子型樹脂制備陽離子型樹脂時，可先將環(huán)氧樹脂與部分仲胺加成，接著與部分伯胺加成，再與仲胺加成，得到環(huán)氧一胺加成物，然后用酸中和得到水溶性陽離子型樹脂。這種水溶性陽離子型樹脂中加入脂肪酸縮水甘油酯后，改進了流動性和耐化學藥品性。值得提示的是，三聚氰胺樹脂和酚醛樹脂不能使環(huán)氧一胺加成物充分交聯(lián)固化，只有在加入對甲苯磺酸等酸性化合物后，其才會呈現(xiàn)好的交聯(lián)固化性能。水溶性陽離子型樹脂配方見表4-2。
 取配方中陽離子型樹脂：六甲氧甲基三聚氰胺=80：20（質(zhì)量）配成清漆。其性能為：在180℃/30min時固化，涂膜厚25μm，電沉積涂膜的交聯(lián)固化性和耐鹽霧性優(yōu)良。
有時，可用環(huán)氧樹脂先與異氰酸酯預聚物或丙烯酸聚合物反應，得到含羥基、羧基和氨（胺）基的樹脂，形成環(huán)氧胺離子的過程如下：
 式中 A——有機聚合物骨架，它組成的環(huán)氧樹脂已與異氰酸酯或丙烯酸聚合物反應；異氰酸酯官能團脫封，與環(huán)氧一胺加成物的氨（胺）基反應形成交聯(lián)固化涂膜，其耐蝕性突出。
2.固化劑水溶性環(huán)氧涂料基料分子中常常帶有可相互反應的基團，在交聯(lián)固化成膜時起一定作用。但其也應采用水溶性固化劑，如采用三聚氰胺甲醛樹脂、苯代三聚氰胺甲醛樹脂、脲醛樹脂和異氰酸酯封閉物等。當選用六甲氧甲基三聚氰胺作固化劑時，應加入少量的對甲苯磺酸銨和磷酸氫銨等強酸弱堿鹽作固化促進劑；當選用異氰酸酯封閉物作固化劑時，應加入占基料量2%左右的固化促進劑，可保證槽液穩(wěn)定性并明顯提高涂膜的有效交聯(lián)密度（ρ）、增加耐蝕性。
3.助溶劑的作用在電泳涂料中助溶劑（也稱共溶劑）的作用是增加基料在水中溶解度、調(diào)節(jié)基料黏度、提高槽液穩(wěn)定性、改善流平性和涂膜外觀。
在水溶性醇類助溶劑中，碳鏈長的醇比碳鏈短的醇助溶效果好，含醚基的醇（溶纖劑）比不含醚基的醇助溶效果好。可供選擇的助溶劑有乙醇、異丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙基溶纖劑、丁基溶纖劑和仲丁醇等。
4.對顏填料的要求水溶性涂料以水作溶劑，其基料多數(shù)為弱堿性溶液。水溶性涂料使用的顏填料與溶劑型涂料不同，尤其是電沉積涂料對顏填料要求十分嚴格。在水溶性涂料的配方設計中，所選用顏填料的品種應盡量少而精。
（1）分散性為使顏填料分散均勻，在顏填料漿中加入表面活性劑進行表面處理，然后用砂磨機、球磨機、高速攪拌機分散，經(jīng)烘干、粉碎，確保復色顏填料體系有較穩(wěn)定的分散性。陰離子型電沉積涂料，可選用十二烷基磺酸鈉等離子型表面活性劑。
（2）穩(wěn)定性水溶性電沉積涂料選用的顏填料，必須在水中保持較高的化學穩(wěn)定性。部分水解和能分解析出二價或多價金屬離子的顏填料，會導致大分子基料沉淀析出，嚴重破壞槽液穩(wěn)定性。因此，水溶性電沉積涂料中可電離的組分應減少到最低限度，若鈣、鎂、鋅和鉻酸等離子超過顏填料量的1%時，將對涂料造成破壞性作用。
（3）體積分數(shù)顏填料體積分數(shù)（PVC）對電沉積涂料漆液的泳透力和涂膜防銹能力均有影響。泳透力最高時，PVC為40%～50%；涂膜防銹能力最佳時，PVC＜40%。
（4）酸堿性顏填料的酸堿性是不可忽視的問題。例如，羧酸環(huán)氧酯用胺中和得到的水溶性樹脂是偏堿性的聚合物，若選用偏酸性的顏填料，會促使水溶性涂料酸性化，引起凝聚甚至破壞。若選用紅丹、氧化鋅和鉛白等強堿性顏填料，易使基料皂化；若選用鉻酸鋅等水溶性大的顏填料，會破壞涂料的穩(wěn)定性。
水溶性環(huán)氧涂料中可供選擇的顏填料有鈦白、鐵黃、鍶鈣黃、檸檬黃、鐵紅、鎘紅、酞菁藍、群青、炭黑、沉淀硫酸鋇、滑石粉、白炭黑、重體碳酸鈣和高嶺土等。
三、水乳化型環(huán)氧涂料的配方設計
1.環(huán)氧樹脂乳液環(huán)氧樹脂乳液是水乳化型環(huán)氧涂料的基料組分。由于環(huán)氧樹脂不溶于水，具有親油性，應采用合適的乳化劑將環(huán)氧樹脂乳化成環(huán)氧樹脂乳液，并保證水乳化型環(huán)氧涂料在貯存和使用時具有良好的穩(wěn)定性和涂裝性，這是設計水乳化型環(huán)氧涂料的技術(shù)關(guān)鍵。
乳化劑屬于表面活性劑，其分子中含有親水（或疏油）的極性基團和親油（或憎水）的非極性基團。乳化劑可分為離子型乳化劑和非離子型乳化劑兩大類。前者又分為陰離子型、陽離子型和兩性離子型乳化劑三種；后者則有醚型、酯型和其他類型三種。
選擇乳化劑的基本原則是，選擇與被乳化樹脂結(jié)構(gòu)相似的乳化劑品種，以增強乳化效果，若乳化劑能溶于被乳化的樹脂中會提高乳化效率；選擇具有增溶能力的乳化劑，會使產(chǎn)生的乳液具有好的貯存穩(wěn)定性；乳化劑在使用中應無毒，不污染環(huán)境。
在制造環(huán)氧樹脂乳液時，可選用非離子型的烷基酚聚環(huán)氧乙烷作乳化劑，它含有憎水基烷基酚和親水基聚環(huán)氧乙烷（醚鍵）。當環(huán)氧樹脂和水加在一起時，因不相溶其分成兩層，加入烷基酚聚環(huán)氧乙烷后，親水基聚環(huán)氧乙烷溶于水，而憎水基烷基酚溶于環(huán)氧樹脂，經(jīng)攪拌后使環(huán)氧樹脂變成為微粒子分散在水中，得到穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂乳液。環(huán)氧樹脂乳化過程如圖4-1所示。
 用作環(huán)氧樹脂的乳化劑主要有聚氧乙烯烷基酚縮合物類（如聚氧乙烯烷基酚醚等）、聚氧乙烯脂肪醇縮合物類（如脂肪醇環(huán)氧乙烷縮合物等）和聚氧乙烯蓖麻油縮合物類（如蓖麻油環(huán)氧乙烷縮合物等）。
通常采用在低分子液體環(huán)氧樹脂中加入螯合劑、乳化劑和流變促進劑等，制成低黏度、穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂乳液。可供乳化的環(huán)氧樹脂有Epikote 255、E-44酮醛環(huán)氧樹脂、海因環(huán)氧樹脂、E-51環(huán)氧樹脂和甘油環(huán)氧樹脂等。利用環(huán)氧樹脂與含羥基、羥甲基和醚鍵的合成樹脂混合乳化后，得到混合型乳化樹脂，增加了水乳化環(huán)氧涂料品種，拓展了其應用領域。煤焦油改性的水乳化環(huán)氧涂料，形成優(yōu)異的防水涂膜，已取得廣泛應用。
2.固化劑品種含活潑氫化合物（加成固化劑）和叔胺化合物（聚合固化引發(fā)劑）的固化劑，一般都能在水中乳化或溶解。液體氨基一酰胺（Casamid 360）、低分子聚酰胺、苯酚-甲醛-胺縮合物、液化二氰二胺、醚胺-亞胺縮合物等，都可作水乳化環(huán)氧涂料的固化劑。
水乳化環(huán)氧涂料中的水起到氫鍵給予體的固化促進作用，但由于涂料中含水量較大從而會影響固化效率。因此，在常溫下從涂膜內(nèi)移走大量的水，是目前正在設法解決的技術(shù)難題之一。
水乳化型環(huán)氧涂料可選用的固化劑有Casamid 360、改性聚酰胺、H61固化劑、氨基丙烯酸樹脂、自乳化型固化劑和D-8固化劑等。
3.添加劑的作用水乳化型環(huán)氧涂料中，添加劑是極重要的組分，它是決定水乳化環(huán)氧涂料穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。
（1）表面活性劑表面活性劑的作用是促進基料與顏填料混合、改進流動性和貯存穩(wěn)定性，并能防止涂料包裝容器內(nèi)壁生銹。偏硼酸鈉和防銹劑可保持乳液穩(wěn)定、賦予涂膜殺菌性。
（2）螯合劑螯合劑（緩沖劑）能調(diào)節(jié)乳液的pH值，保證乳液穩(wěn)定性。如在乳液中加入硝酸鋅、磷酸二氫銨和硫代氰酸銨，乳液pH值分別為6.1、6.8和7.1；在23℃下貯存兩個月后，相分離量分別為0、＜5%和5%。
（3）消泡劑在水乳化型環(huán)氧涂料中加消泡劑等添加劑，會有效地防止涂料在分散及攪拌過程中發(fā)泡，調(diào)整涂料及涂膜性能。常用添加劑種類和用量見表4-3。
 4.顏填料水乳化型環(huán)氧涂料中的顏填料，應滿足在水中具有分散性、穩(wěn)定性并可減小水相pH值變化的條件。通常選用水溶性極小的顏填料，或?qū)㈩佁盍线M行除去水溶性鹽的預處理。常用的顏填料與水溶性環(huán)氧涂料相同。在水乳化型環(huán)氧涂料中加入氧化鐵、鉻酸鋅、磷酸鋅、鉻酸鋇和硼酸鋅后，作為金屬材質(zhì)的底漆，這種涂料已取得令人滿意的應用效果。
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