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用于防腐底漆和金属直涂面漆的单组份疏水乳液

用于防腐底漆和金属直涂面漆的单组份疏水乳液

时 间: 2019-04-11

访 问:101 次

摘 要:用于防腐底漆和金属直涂面漆的单组份疏水乳液       通过提高疏水性改善整…

用于防腐底漆和金属直涂面漆的单组份疏水乳液

      通过提高疏水性改善整体防腐性能

作者: Synthomer(德国)有限公司 涂料技术服务经理  Thomas Bernhofer

特种涂料实验室主任    Jan Pilger

Sy盐雾测试

防腐涂料,如防腐底漆和金属直涂漆,其首要功能是保护基材不被腐蚀,其次是保持材料的美观以及体现其价值,如应用于汽车、卡车和飞机等的防腐涂料。

据统计由于腐蚀每年造成GDP的损失在3-4%,对全球的经济影响约有33亿美元。

 

腐蚀等级和测试方法

保护金属较常见策略之一是涂刷有机涂料。漆膜体系可由多道涂层组成,可以是单涂层(底面合一的金属直涂漆),也可以是三涂层(底漆、中涂和面漆)。漆膜体系的选择取决于应用的环境暴露情况,EN ISO 12944-2标准中对腐蚀等级进行了分类(图1)

图1 EN ISO 12944-2腐蚀等级

 

级别 应用 要求 测试方法
C1

 

 

C2

低需求:2 – 5年

 

•室内钢构件

 

•供暖建筑物,被动大气

 

•不供暖,可能发生冷凝

 

•室外钢结构:农村,有限的环境因素

 

 

不需要进行盐雾测试

 

• C2: 48 – 120 小时 冷凝耐候测试

 

C3

 

C4

中等需求:5 – 15年

 

•室内钢构件

 

•供暖建筑物,伴有冷凝

 

•不供暖,可能发生冷凝

 

•室外钢结构

 

•城市和工业环境

 

•中度SO2污染

• C3: 120 – 480 小时 盐雾测试

 

• C3: 48 – 240 小时 冷凝耐候测试

 

• C4: 240 – 720 小时 盐雾测试

 

• C4: 120 – 480 小时 冷凝耐候测试

C5-I

 

C5-M

•高需求:> 15年

 

•工业和沿海环境

• C5-I: 480 – 1,440 小时 盐雾测试

 

• C5-I: 240 – 720 小时 冷凝耐候测试

 

• C5-M: 480 – 1,440 小时 盐雾测试

• C5-M: 720 – 1,440 小时 冷凝耐候测试

 

一般通过耐盐雾试验和冷凝耐候试验对漆膜进行评测,以便获得足够的防护级别。 暴露测试时间根据目标腐蚀等级来定, 各腐蚀等级又再细分为低、中、高/长。对于腐蚀等级C5-I,根据ISO 2812-1标准还要额外进行168小时的耐化学实验。

 

根据ISO 9227标准,防腐性能测试在配备氯化钠溶液(浓度5%,pH= 7)的盐雾箱中进行,温度设定在35 ºC。根据不同腐蚀等级,测试时间从120小时至1440小时不等。

 

根据ISO 6270-1标准,通过持续的冷凝耐候性能测试检验漆膜在高湿热条件下的受损情况,诸如鼓泡或水白等。根据不同腐蚀等级,测试时间从48小时到1440小时不等。

 

在特定情况下,还可以依据ISO 2812-2标准按照Im1、Im2和Im3的分级进行浸水测试,以确定漆膜鼓泡或水白的受损程度。测试时间从2000小时到3000小时不等。

 

疏水性与防腐性能的相互关系

在这种特殊情况下,腐蚀被定义为金属随着时间的推移因为局部氧化还原反应而发生降解。

腐蚀过程总是需要金属基材,例如铁(Fe),以及氧气和水的存在。电解质溶液,如氯化钠,可以显著加速腐蚀过程(图2)。

图2:腐蚀过程:1.氧化

还原

2.

3.

 

由于腐蚀过程可以被认为是一种水的传输过程,那么理论上比较疏水的漆膜因为其能避免潮气/液态水进入金属表面所以比疏水性较低的漆膜能更好地保护金属基材。本文中,我们采用接触角测量和电化学阻抗法来确定漆膜的疏水性。

 

接触角测量运用漆膜和不同液体(水,1,5-戊二醇和二碘甲烷)的润湿表现信息。

而漆膜的表面能是通过对于被测液体液滴的接触角随时间发展变化的数学分析确定的。一般来说,较高的表面能具有较小的接触角以及低疏水性(液滴的铺展区域大)。而当表面能较低时,液滴的接触角较大,并且其铺展区域明显减小,表明其具有较高的疏水性。(图3)

(图3)接触角测量图示:

 

电化学阻抗实验是在一个特定的频率范围内随着时间的推移测试电流、电压和相变。该测试在3%氯化钠溶液中进行(图4),吸水量通过数学分析计算得出。

(图4)电化学阻抗测试仪器:

 

丙烯酸乳液和苯丙乳液测试

我们采用自交联型单组份均相结构的丙烯酸乳液和苯丙乳液进行测试,这些聚合物乳液既包含现有市售产品也包含了实验阶段的新产品。

为了在该实验中包含多种“普通”和疏水性乳液,我们选用了纯丙乳液(RAD)、苯丙乳液(SAD),以及VeoVa 10™改性的丙烯酸乳液(叔丙乳液,VAD)和苯丙乳液(VSA)进行测试。VeoVa 10单体是公认的非常疏水的乙烯基酯单体。

纯丙乳液和叔丙乳液因具有更佳的抗紫外性能,适合用作金属直涂漆和防腐底漆,而苯丙乳液一般仅适合于制备防腐底漆或者非装饰性用途的单涂层。

防腐测试根据C4(长)要求进行,即720小时耐盐雾测试(ISO 9227)和480小时冷凝耐候测试(ISO 6270-1)

所有的乳液都采用氧化铁红、滑石粉进行配方,Heucophos ZCP plus用作防锈颜料。加入必要的成膜助剂以调节上述被测乳液至相似的最低成膜温度,同时调整配方使聚合物固含相近。测试所用基材是去除油污后的冷轧钢板,喷涂,漆膜的干膜厚度为80-100微米,室温干燥。

 

接触角测试结果

作为参考,接触角测试先于耐盐雾测试进行(未处理的样品),在被测漆膜样板上滴一滴水。可见,这几个样品具有明显的差异,比如SAD1具有较小的接触角,而VAD2的接触角非常大(图5)。

(图5) 未处理的样品接触角测试结果

Contact angles接触角

Surface energy 表面能

 

和未处理样品相比,720小时耐盐雾测试后的接触角测试表现出明显的变化,其中一些被测样品接触角降低很多,一些则变化较小(图6),由此可以得出,和绿圈标出的样品(VAD1、SAD2、SAD3)相比,红圈标出的样品(RAD、SAD1和VSA)表观较差并且疏水性也较差。

(图6) 720小时耐盐雾测试后的接触角测试结果

 

 

 

电化学阻抗测试结果

我们对有漆膜且未处理(未进行耐盐雾测试)的样板进行了168小时的电化学阻抗测试(图7)。在这个测试中,SAD2,SAD3和VAD1仍然表现更佳,其吸水量较低,而RAD和VAD2吸水量较大。样品SAD4不可测。

(图7) 电化学阻抗测试

 

漆膜样板在室温下干燥7天并在50 ºC干燥1天,然后在测试板上用小刀划破至金属基材,根据ISO 9227进行720小时耐盐雾测试(图8)。显然,RAD、VSA、SAD和VAD2的防腐蚀性能较差,而SAD2、VAD1和SAD3的防腐蚀性能则要好很多。

(图8) 720小时耐盐雾测试结果ISO 9227

 

用扫描电镜/能谱分析观察了上述测试中性能较好的两个样品,即VAD1和SAD2的横切面,并分析表征两个乳液的特殊疏水表现(图9)。

(图9)扫描电镜/能谱分析图像

 

在左侧边缘划痕可见。元素分析表明氯离子大量存在于划痕处,但在未损坏的漆膜和漆膜与基材的界面处未检测到氯离子,这就表明电解质溶液没有渗透到漆膜中,也没有到达金属表面,因而提供更好的防腐蚀作用。

 

总结

  • 耐盐雾测试前后,接触角都较大的乳液具有更好的防腐蚀性能。
  • 在电化学阻抗测试中,吸水量较少的乳液具有更好的防腐蚀性能。这一相互关系甚至比接触角测试更为密切。
  • 扫描电镜/能谱分析测试中,在未损坏的漆膜和金属底材上均未检测到氯离子的存在,表明没有水/电解液通过漆膜渗透,这可以归因于漆膜的疏水性。

 

结论

  • 通过对于接触角和电化学阻抗的测试结果可以确认:提高疏水性是获得良好防腐性能的关键。
  • 测试中性能表现优异的乳液,如VAD1(Veova 10改性丙烯酸乳液)和SAD2(苯丙乳液)可以转化发展为更高效的市售产品。
  • 电化学阻抗和耐盐雾测试结果密切相关。其积极的作用在于,这个测试方法可以应用于未经测试的漆膜样板,用以对乳液和漆膜研发进行快速筛选。
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