一种钢结构用水性锈转化防腐涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于防腐涂料技术领域，具体地，涉及一种钢结构用水性锈转化防腐涂料及其制备方法。
背景技术
钢铁锈蚀是一个全球性问题,如何进行有效地防腐一直是业界研究的热点和难点。每年约有30％的设备因锈蚀而报废,既污染环境,又浪费大量的资源和能耗。随着现代工业的发展,受石油资源及环保法规对挥发性有机物(VOC)及有害空气污染物(HAPs)的限制等因素影响,世界防腐涂料工业在不断提高性能的同时,正迅速向“绿色化”方向发展(吴凝.水性带锈防腐涂料的应用研究[J].科技风.2013,(9):80-81))。
锈转化涂料在该细分市场领域，通过直接在一定锈蚀的金属表面上施工，使锈稳定、钝化或转化，使活泼的铁锈变成无害的物质，以达到既除锈又保护的双重目的的防锈涂料(戴红艳.水性转锈型低表面处理涂料的制备[J].涂料技术与文献.2016,37(2):28-31)。锈转化涂料亦称为反应型带锈涂料，通过涂料中的酸性锈转化剂与金属表面锈层进行反应，生成惰性难溶的络合物、螯合物。
发明人通过检索发现，中国专利CN105062245A公开了一种水性氯乙烯-偏氯乙烯-丙烯酸共聚乳液为成膜物质的水性带锈转化涂料，锈转化剂与成膜物质稳定存在，起到很好的锈转化效果，但是属于单组份氧化干燥，漆膜硬度低，耐水、耐盐雾性能无法满足腐蚀等级较高环境。
中国专利CN109575753A公开一种用于钢表面水性环氧型防腐涂料及其制备方法，使用水性环氧乳液作为主要成膜物，添加防锈颜填料及预处理的纳米改性粒子制备了碱性体系的稳锈型带锈涂料，酸性锈转化剂的加入将导致环氧乳液的破乳，体系不稳定，且不具有耐候性，无法在室外使用。
中国专利CN108822689A公开一种水性聚苯胺改性环氧阳离子乳液的制备方法，通过化学改性方法，将聚苯胺与环氧树脂以共价键相连，合成水性聚苯胺改性环氧树脂，具有很好的金属防腐性能和环保性，但是该乳液分子量由刚性比较强聚苯胺和热固性环氧树脂合成，体系的柔韧性无法满足防腐体系要求，且无法满足室外耐候性要求。同时，体系没有锈转化剂无法在带锈防腐涂装上应用。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的一在于提供一种钢结构用水性锈转化防腐涂料，目的二在于提供所述防腐涂料的制备方法。本发明制备的涂料以水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液和水性环氧固化剂为成膜物质，水性聚苯胺弹性纳米改性粒子为主要功能防腐填料及水性锈转化剂及其他水性助剂配制而成。该涂料兼具偏二氯乙烯树脂屏蔽性、环氧树脂耐盐雾性及丙烯酸树脂的耐候性，同时，水性聚苯胺弹性纳米改性粒子的加入改善了涂层在带锈金属表面的防腐性能。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种钢结构用水性锈转化防腐涂料，由甲组份和乙组份构成，所述甲组份和乙组份的质量比为5-10:1；
所述甲组份中包含的组分及其质量份数分别为：
水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液50-80份；
水性聚苯胺弹性纳米改性粒子5-10份；
水性助溶剂10-20份；
水性锈转化剂2-3份；
水性消泡剂0.4-1.2份；
水性触变剂0.2-0.5份；
去离子水10-15份；
所述乙组份为水性环氧固化剂，其中包含的组分及其质量份数分别为：水性改性胺固化剂70-100份和水性渗透剂0.5-2份；
所述的水性聚苯胺弹性纳米改性粒子是通过以下步骤制备所得：将聚苯胺粉末与硫化橡胶弹性粉末按5:1混合均匀，加入到乙二醇丁醚中，滴加阴离子型醇铵盐溶液，超声分散40min，之后在120℃条件下加热回流10min，冷却过滤，将过滤物放在50℃烘箱中烘烤24h,得到水性聚苯胺弹性纳米改性粒子。
作为对上述方案的进一步优化，所述水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液是通过以下步骤制备所得：
步骤一、向环氧树脂中加入催化剂，在通氮气条件下，再加入阻聚剂和丙烯酸单体升温至200℃搅拌反应，反应到酸值的理论点，得到环氧改性丙烯酸中间体；所述催化剂由N,N-二甲基乙醇胺、三乙醇胺、N,N-二甲基甲酰胺和三苯基膦中的一种或几种任意比例的组合；
步骤二、将乳化剂和去离子水混合搅拌使乳化剂完全溶解，得到乳化剂溶液，向乳化剂溶液中依次加入偏二氯乙烯单体和步骤一得到的环氧改性丙烯酸中间体，搅拌，形成预乳化液；
步骤三、向压力反应釜中加入引发剂，通氮气排尽釜内空气，密封后加压至0.5MPa，加热至110℃后滴加步骤二得到的预乳化液；待反应体系泛蓝光，滴加预乳化液和引发剂，保持温度为110℃；反应30min后停止加热，降温卸压、过滤出料，即得水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液。
更进一步的，所述的环氧树脂由双酚A环氧树脂E51,E44,E20中的一种或几种任意比例的组合；所述的丙烯酸酯单体由(甲基)丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈或醋酸乙烯酯中的一种或几种任意比例的组合；所述的阻聚剂由对苯二酚、对叔丁基苯二酚、对叔丁基苯二酚和吩噻嗪中的一种或几种任意比例的组合；所述的乳化剂由十二烷基氯化铵、十六烷基溴化吡啶、十八烷基胺聚氧乙烯醚双季铵盐和十二烷基二甲基氯化铵中的一种或几种任意比例的组合；所述的引发剂由过氧化苯甲酰、过氧化2-乙基己基酸叔戊酯、过氧化2-乙基己基酸叔丁酯、过氧化醋酸叔戊酯和过氧化苯甲酸叔丁酯中的一种或几种任意比例的组合。
作为对上述方案的进一步优化，在所述水性聚苯胺弹性纳米改性粒子的制备步骤中，所述的硫化橡胶弹性粉末由丁睛橡胶、丙烯酸酯橡胶和丁苯橡胶中的一种或几种任意比例的组合；所述的阴离子型醇铵盐溶液由BYK-151、BYK-154和BYK-155的一种或几种任意比例的组合。
作为对上述方案的进一步优化，所述水性锈转化剂由亚铁氰化钾、RC980和ST-356的一种或几种任意比例的组合；
水性助溶剂由乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚和Texanol的一种或几种任意比例的组合；
水性消泡剂由BYK-028、BYK-014、Tego-825和BYK-1615的一种或几种任意比例的组合；水性触变剂由有机膨润土、气相二氧化硅、黄原胶和羟乙基纤维素的一种或几种任意比例的组合。
作为对上述方案的进一步优化，水性改性胺固化剂由SUNTIP-9060、Aradur%203986和Ancamine%201618的一种或几种任意比例的组合；
水性渗透剂由烷基苯磺酸钠、烷基萘磺酸钠、氨基磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚的一种或几种任意比例的组合。
本发明还另外提供所述钢结构用水性锈转化防腐涂料的制备方法，包括甲组份的制备和乙组份的制备；
其中，甲组份的制备步骤如下：
取水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液按配比加入分散罐中，依次按配比将水性助溶剂、水性消泡剂、水性锈转化剂加入分散罐中，高速分散10-30分钟，得到混合物I；低速搅拌下，将水性聚苯胺弹性纳米改性粒子加入到混合物I中，高速分散20-40分钟，分散完毕，按配比加入水性触变剂和去离子水，调整粘度后得到甲组份；
乙组份的制备步骤如下：
取水性改性胺固化剂加入分散罐中，再加入水性渗透剂，高速分散5-10分钟，得到乙组份；
将甲组份和乙组份按照质量比为5-10:1进行配漆，然后搅拌均匀，即得水性锈转化防腐涂料。
有益效果：
1、本发明以自制的水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液和水性改性胺固化剂为基料，水性聚苯胺弹性纳米改性粒子为功能性填料，加入锈转化剂等水性助剂，制备了一种新型锈转化防腐涂料，兼具环氧树脂固化交联生成网状结构与偏二氯乙烯树脂的耐腐蚀、气密性好等特性的优点，在酸性条件下，通过锈转化剂转化锈蚀层，起到带锈涂装的作用。该涂料兼具偏二氯乙烯树脂屏蔽性和环氧树脂耐盐雾性，同时，丙烯酸共聚乳液的加入具有极佳的耐候性。解决了环氧、偏二氯乙烯不耐候、易老化的问题，室外耐候10年以上，可以作为底面合一型带锈涂料，减少施工道数。
2、水性聚苯胺弹性纳米改性粒子的加入改善了涂层在带锈金属表面的柔韧性和防腐性能。该水性涂料在转化锈层厚度可达100μm以上，其耐盐雾可达2000h，耐人工老化性(氙灯老化测试)≥500h、拉断伸长率≥200％、拉伸强度在6MPa以上，有效解决刚性比较强的树脂在锈层表面的易脆易裂问题，有效提高锈蚀部位的弹性屏蔽作用，使涂料在锈蚀表面钝化锈层、屏蔽腐蚀环境、阻碍电子传递、形成疏水吸附层，提高漆膜的附着力、耐水性及耐盐雾性能。在高腐蚀环境下(Ⅲ-2)亦可方便施工，附着力较高(拉拔附着力≥10MPa)，对环境污染小，降低施工成本的效果，大大提高涂层在带锈条件下的防腐性及涂装效率。
3、该水性带锈涂料的VOC(挥发性有机化合物)含量低，防腐性能优异，环保无污染。与各种水性中间漆及水性面漆具有很好的配伍性，可广泛应用于港口机械、大型钢结构、风力发电、海上石油平台等重防腐领域。
具体实施方式
一种新型水性锈转化防腐涂料，其配方由甲组份、乙组分两种组分构成，其中甲组份质量组成百分比为：
水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液50-80份
水性聚苯胺弹性纳米改性粒子5-10份
水性助溶剂10-20份
水性锈转化剂2-3份
水性消泡剂0.4-1.2份
水性触变剂0.2-0.5份
去离子水10-15份
乙组分为水性环氧固化剂组成，质量组成百分比为：
水性改性胺固化剂70-100份
水性渗透剂0.5-2份
甲乙组分按照质量比为5-10：1进行配漆，然后搅拌均匀。
所述的甲组分水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液，其制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份计，用电子天秤称取100份的环氧树脂至三口烧瓶中，加入7份催化剂，在通入氮气条件下，加入2份阻聚剂以及60份丙烯酸单体升温到200℃搅拌反应，反应到酸值的理论点，得到50份环氧改性丙烯酸中间体；
(2)在三口烧瓶中加入100份乳化剂和200份去离子水，在转子搅拌下使乳化剂完全溶解，依次加入50偏二氯乙烯单体及50份步骤(1)所得中间体进行搅拌并形成预乳化液；
(3)在压力反应釜中加入3份引发剂，通氮气一段时间排尽釜内的空气，密封装置后加压至0.5MPa。加热至110℃后，滴加5份步骤(2)所得预乳化液，待反应体系泛蓝光，滴加45份步骤(2)所得预乳化液和7份引发剂，保持温度为110℃。待反应30min后停止加热，降温卸压、过滤出料，即得水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸共聚乳液，固含量为60±2％。
所述的水性预分散聚苯胺弹性纳米改性粒子，其制备方法包括以下步骤：
将50g的聚苯胺粉末与硫化橡胶弹性粉末按5:1混合均匀，加入到含有100ml乙二醇丁醚的圆底烧瓶内，滴加1.5g的阴离子型醇铵盐溶液，超声分散40min，之后在120℃条件下加热回流10min，冷却过滤，将过滤物放在50℃烘箱中烘烤24h,得到所需水性预分散聚苯胺弹性纳米改性粒子。
所述的环氧树脂由双酚A环氧树脂E51,E44,E20中的一种或几种任意比例的组合；
所述的丙烯酸酯单体由(甲基)丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、丙烯腈或醋酸乙烯酯中的一种或几种任意比例的组合；
所述的催化剂由N,N-二甲基乙醇胺、三乙醇胺、N,N-二甲基甲酰胺和三苯基膦中的一种或几种任意比例的组合；
所述的阻聚剂由对苯二酚、对叔丁基苯二酚、对叔丁基苯二酚和吩噻嗪中的一种或几种任意比例的组合；
所述的乳化剂由十二烷基氯化铵、十六烷基溴化吡啶、十八烷基胺聚氧乙烯醚双季铵盐和十二烷基二甲基氯化铵中的一种或几种任意比例的组合；
所述的引发剂由过氧化苯甲酰(BPO)、过氧化2-乙基己基酸叔戊酯(TAPO)、过氧化2-乙基己基酸叔丁酯(TBPO)、过氧化醋酸叔戊酯(TAPA)和过氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)中的一种或几种任意比例的组合；
所述的硫化橡胶弹性粉末由丁睛橡胶(NBR)、丙烯酸酯橡胶(ACM)和丁苯橡胶中的一种或几种任意比例的组合；
所述的阴离子型醇铵盐溶液由BYK-151、BYK-154和BYK-155的一种或几种任意比例的组合；
水性锈转化剂由亚铁氰化钾、RC980和ST-356的一种或几种任意比例的组合；
水性助溶剂由乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、二丙二醇甲醚和Texanol的一种或几种任意比例的组合；
水性消泡剂由BYK-028、BYK-014、Tego-825和BYK-1615的一种或几种任意比例的组合；
水性触变剂由有机膨润土、气相二氧化硅、黄原胶和羟乙基纤维素的一种或几种任意比例的组合；
水性改性胺固化剂由SUNTIP-9060、Aradur%203986和Ancamine%201618的一种或几种任意比例的组合；
水性渗透剂由烷基苯磺酸钠、烷基萘磺酸钠、氨基磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚的一种或几种任意比例的组合。
所述的一种新型水性锈转化防腐涂料的制备方法，包括甲乙组分制备，其中甲组份：
(1)取所需量的水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液按配比加入分散罐中，依次按配比将助溶剂、消泡剂、水性锈转化剂加入分散罐中，高速分散10-30分钟，得到混合物I；
(2)低速搅拌下，将聚苯胺弹性纳米改性粒子加入到混合物I中，高速分散20-40分钟，分散完毕，按配比加入水性触变剂和去离子水，调整粘度后得到甲组份，按比例分装即可；
乙组分：
取所需量的水性改性胺固化剂加入分散罐中，将水性渗透剂加入其中，高速分散5-10分钟，得到混合物Ⅱ；
按甲组份和乙组份的质量比为5-10:1进行配漆，然后搅拌均匀。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1：
所述的一种新型水性锈转化防腐涂料配方，见表1。
表1：
本发明涂料的制备方法如下
一、制备甲组份：
(1)将水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液按配方量加入到分散罐中，依次按配方量加入助溶剂乙二醇丁醚、消泡剂BYK-028、水性锈转化剂亚铁氰化钾，高速(800-1000r/min)分散15分钟，得到混合物I；
(2)在低速(300-500r/min)搅拌下，将配方量的水性聚苯胺弹性纳米改性粒子原料加入到混合物I中，高速(900-1100r/min)分散10分钟，分散完毕，加入有机膨润土和去离子水，调整粘度后得到甲组份，按比例分装即可；
二、制备乙组分：
将水性改性胺固化剂SUNTIP-9060按上述配方量加入到分散罐中，将水性渗透剂脂肪醇聚氧乙烯醚加入其中，高速(800-1000r/min)分散5分钟，得到混合物Ⅱ。
三、制备一种新型水性锈转化防腐涂料：
按甲组份和乙组份的质量比为5.5:1进行配漆，然后搅拌均匀。
实施例2
所述的一种新型水性锈转化防腐涂料配方，见表2。
表2
本发明涂料的制备方法如下
一、制备甲组份：
(1)将水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液按配方量加入到分散罐中，依次按配方量加入助溶剂二丙二醇甲醚、消泡剂BYK-014、水性锈转化剂RC980，高速(800-1000r/min)分散15分钟，得到混合物I；
(2)在低速(300-500r/min)搅拌下，将配方量的水性聚苯胺弹性纳米改性粒子原料加入到混合物I中，高速(900-1100r/min)分散10分钟，分散完毕，加入黄原胶和去离子水，调整粘度后得到甲组份，按比例分装即可；
二、制备乙组分：
将水性改性胺固化剂Aradur 3986按上述配方量加入到分散罐中，将水性渗透剂烷基苯磺酸钠加入其中，高速(800-1000r/min)分散5分钟，得到混合物Ⅱ。
三、制备一种新型水性锈转化防腐涂料：
按甲组份和乙组份的质量比为7:1进行配漆，然后搅拌均匀。
实施例3
所述的一种新型水性锈转化防腐涂料配方，见表3。
表3
本发明涂料的制备方法如下
一、制备甲组份：
(1)将水性环氧-偏二氯乙烯-丙烯酸乳液按配方量加入到分散罐中，依次按配方量加入助溶剂丙二醇甲醚/Texanol(3/1)、消泡剂Tego-825、水性锈转化剂ST-356，高速(800-1000r/min)分散15分钟，得到混合物I；
(2)在低速(300-500r/min)搅拌下，将配方量的水性聚苯胺弹性纳米改性粒子原料加入到混合物I中，高速(900-1100r/min)分散10分钟，分散完毕，加入气相二氧化硅和去离子水，调整粘度后得到甲组份，按比例分装即可；
二、制备乙组分：
将水性改性胺固化剂Ancamine 1618按上述配方量加入到分散罐中，将水性渗透剂氨基磺酸钠加入其中，高速(800-1000r/min)分散5分钟，得到混合物Ⅱ。
三、制备一种新型水性锈转化防腐涂料防腐涂料：
按甲组份和乙组份的质量比为10:1进行配漆，然后搅拌均匀。
本发明产品性能如表4所示。其中，表4中的对比实施例为我公司现有水性带锈产品725L-WH06-14水性环氧带锈底漆。
表4
本发明未详述部分为现有技术。
需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
