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水性涂料
高性能和超低VOC自愈合技术

高性能和超低VOC自愈合技术

时 间: 2021-04-01

访 问:286 次

摘 要:作者SwapnilShukla、ChristopherR.D.Dayton、…

作者 Swapnil Shukla、Christopher R. D. Dayton、Subramanyam Kasisomayajula、Aidnel Geister Navarro和 Gerald O. Wilson博士,Autonomic材料有限公司,伊利诺伊州,Champaign

 

 

 

长期以来,涂料一直被用于保护关键资产不受腐蚀。这些防护涂层可延长工业、基础设施、运输、机械、石油和天然气以及军事应用中的金属资产的使用寿命。 1-3 不幸的是,防护涂料的使用通常会使人们和环境暴露在有毒化学物质(包括溶剂)中,会导致环境中挥发性有机化合物(VOC)水平的增加。虽然像六价铬这类毒性最大的化学物质已经逐渐在大多数应用中被禁止使用,但大多数防护涂层仍含有将VOC带入环境的溶剂。

 

溶剂型涂料的替代品通常有许多局限性。热固化、紫外(UV)辐射固化和红外(IR)辐射固化涂料的性能受其保护资产的规模的限制,而水性涂料等环境固化体系的附着力、机械性能和抗腐蚀性能历来较差。 4 因此,为了满足日益增长的保护大型资产的需求,水性防护涂料的改进势在必行。在这篇文章中,我们描述了使用自愈合技术来设计的一款水性涂料配方,其防腐蚀性能使溶剂型涂料也黯然失色,从而消除了在高性能和低环境影响之间的利弊权衡。

 

Autonomic材料有限公司(AMI)是一家开发自愈合功能防护涂料的全球领导企业。我们的技术平台已经证明,在涂层体系(包括硅树脂涂层、富锌底漆和粉末涂层)损坏后,耐腐蚀性和附着力维护方面皆取得了显著改善。 5-7 采用AMI技术的涂层体系,在损坏后,会通过嵌入的微胶囊破裂,并随后将微胶囊愈合剂释放到损伤部位来启动愈合反应。一旦到达受损部位,愈合剂就会聚合,恢复涂层的防护功能。

 

 

在一种低挥发性有机化合物、自愈合环氧混合底漆AMP-UP™ 100的开发中,我们利用AMI的自愈合技术设计了一种水性防护底漆,它具有前所未有的耐腐蚀性和环保性。这种水性底漆的VOC含量低于50g/L,且具有自愈合功能,有助于在漆膜损坏后仍具有优异的耐腐蚀性。

 

本文中,我们讨论了AMP-UP 100在在不同基底上暴露于ASTM B117和ASTM D 5894-16条件下的耐腐蚀性能,并根据现有涂料配方的选择对其耐腐蚀性能和VOC进行了基准测试。

 

 

 

涂层评估

 

为了证明AMP-UP 100中的自愈合功能在各种基材上的耐腐蚀效果,我们将其性能与市售高性能水性(WB)环氧底漆进行了比较。为了评估其耐腐蚀性能,我们在采用了SSPC-SP3表面处理的冷轧钢板(CRS)面板、采用了SSPCSP10表面处理的喷砂钢板,以及镀锌钢和铝合金(Al2024-T3)面板上分别涂覆了三个涂层,包括两层底漆和一层低VOC丙烯酸面漆。涂层体系如图1所示。除镀锌钢外,所有基材均使用无绒布用丙酮进行清洁,并在涂覆涂层体系之前在表面使用压缩空气清除了所有残留的灰尘颗粒。

 

 

涂层是通过带有1.8 mm喷嘴和60磅psi气压的重力式常规喷枪来喷涂的。底漆、基础漆和面漆的干膜厚度(DFT)分别为2.5 mils、2.5 mils和2 mils。AMP-UP 100的快干特性(表干不到1小时,2-4小时内处理,1-3小时内重涂/面涂)有助于在5-8小时内完成整个涂层体系的涂覆。在测试之前,让完全涂覆的基材在环境温度下固化7天。

 

 

使用156-?m和500-?m划线工具对每个面板进行划线,并让这些面板在室温下静置24小时。面板的未涂覆区域(背面和边缘)用透明聚酯密封带密封。将划线面板按ASTMB117标准在盐雾中暴露2000小时。在ASTM B117盐雾暴露后,再根据ASTM D1654程序A方法2的规定,评估面板的附着力损失。使用垂直于面板表面且平行于划线的圆形抹刀去除附着不牢的涂层。使用滑动卡尺测量沿划线的六个点的附着力损失(蠕变)。针对每种情况和每种涂层体系/基底组合的所有测量值,对三块面板进行了评估。在2000小时后,采集了面板的代表性图像。磨损的CRS、喷砂钢、镀锌钢和铝合金Al 2024-T3面板的耐腐蚀性能结果分别汇总在图2-5中。

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

从图2、3、4和5可以明显看出,无论损伤大小(划线宽度)、基材类型和制备方法,具有自愈合功能的新型防护底漆在划线周围的附着力维护和腐蚀蠕变方面都有显著改善。与参考涂层相比,划痕损伤引起的附着力损失至少减少了50%。根据ASTM D5894-16,通过循环腐蚀试验进一步评估了含AMP-UP 100的涂层体系的耐腐蚀性。固化后,在暴露于ASTM D5894-16条件之前,使用500μm划线工具对涂覆的喷砂钢基材进行划线。与参考样品相比,新底漆的平均蠕变降低了46%,这表明在不同的腐蚀测试中性能一致。表1列出了包括ASTM B117和ASTM D5894-16暴露在内的耐腐蚀试验结果。

 

 

 

 

 

 

低VOC与高性能:无需权衡

 

图6显示了在推荐的干膜厚度下,考虑到每100平方英尺各自VOCs的量,AMP-UP 100体系以及不同市售产品体系的ASTM D1654性能等级。本图中所示体系的ASTM D1654性能等级是在ASTM B117盐雾暴露2000小时后获得的。如图所示,新体系展示了低VOC和高性能的最佳组合,消除了在这两个关键性能之间进行权衡的需要,从而提供了一种可行的溶剂型高性能保护涂层的替代品。

 

 

 

 

 

 

 

其他优点

 

我们观察到AMP-UP 100在混凝土和木材等其他基材上具有类似的功效,表明了它作为通用底漆的通用性。由于该底漆的挥发性有机化合物含量较低,因此在改善基材保护的同时,对环境的影响也较低,而且由于该涂料是水性的,所以在涂装过程中,施工人员也不会暴露在有害溶剂中。此外,配方的单组分配置提高了化学计量精度和可靠性。该涂料还具有快干性,可缩短多涂层的涂覆时间,并能快速完成涂层工程。鉴于AMP-UP 100底漆所表现出的耐腐蚀性,它可以有效代替溶剂型环氧树脂涂料和其他用于轻到重工业应用的DTM涂料。

 

 

 

结论

 

我们对AMP-UP 100底漆及其相对于其他水性和溶剂性涂料的性能进行评估的主要结论包括:

 

新的水性防护底漆显著降低了腐蚀蠕变和附着力损失。这种性能的提高归功于底漆的自愈合功能,这有助于在涂层损坏后仍旧保持其附着力,从而减少水分侵入和随后产生的腐蚀蠕变。

 

无论基材类型、表面处理和损伤范围如何,使用AMP-UP100都可显著提高损伤后的附着力和耐腐蚀性。在长达2000小时的盐雾暴露试验中,各种基材(包括CRS、喷砂钢、镀锌钢和铝)都得到了显著改善。

 

循环腐蚀试验的性能评估结果表明,新型底漆在一系列腐蚀环境中具有较好的耐腐蚀性。

 

快干、单组分应用、卓越的性能和超低VOC等特性结合在一起,使AMP-UP 100可以适用于高耐腐蚀性能要求的广泛应用领域。

 

 

 

参考资料

 

1 Schweitzer, P.A. Paint and Coatings, Applications and Corro-sion Resistance, Ed.; CRC Press, Taylor and Fran- cis Group, Boca Raton, 2006.

 

2 Li, W.; Calle, M.L. Review of pH And Electrochemical Responsive Materials for Corrosion Control Applica- tions, Paper Np. 08214, NACE International 2008 Conference and Expo.

 

3 Montemor, F.M. Functional and Smart Coatings for Cor-rosion Protection: A Review of Recent Advances, Surface Coatings and Technology, 258, 17-37, November 2014.

 

4 Challener, C. Heavy-Duty Transportation Segment Driving Towards More Durable and Sustainable Coat- ing Solutions,CoatingsTech, October 2019, 28-34.

 

5 Navarro, A.G.; Kasisomayajula, S.; Wilson, G.O. Designing Self- Healing Functionality into Silicone-Based Protective Materi-als, Paint and Coatings Industry, June 2019, 34-38.

 

6 Kasisomayajula, S.; Dayton, C.R.; Wilson, G.O. The Next Generation of Zinc-Rich Primers: Improved Versa- tility and Performance via Self-Healing Functionality, Paint and Coatings Industry, March 2019, 50-55.

 

7 Wilson, G.O.; Ebbert, B.R.; Andersson, H.M. Improved Corrosion Resistance in Powder Coatings via Micro- encapsulated Self-Healing Agents, Paint and Coatings Industry, March 2017,49-59.

 

 

 

 

 

本文收录在《PCI中文版》杂志2021年2/3月刊中

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