腰果壳油水性环氧固化剂：制备高性能防腐配方
PCI-cici
2021-01-25
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作者 徐红博士，全球技术服务经理，卡德莱公司，美国宾西法尼亚州；李经, 涂料技术服务经理，卡德莱公司，广东珠海
各国政府对于减少挥发性有机物（V.O.C.）的排放法规推动了全球水性环氧涂料的发展。同时，工程师也在寻找合适的生物可再生原料，这些原料可以用来制备更具可持续性的工业涂料。为了应对这两个挑战，卡德莱开发了一系列基于可再生腰果壳油（CNSL）技术的水性环氧固化剂。腰果壳油原料不会干扰食物链，它是一种每年从腰果蜂窝结构中提取的可再生油类物质。 [1-2]
基于腰果壳油的固化剂（酚醛胺和酚醛酰胺）以及环氧稀释剂和树脂改性剂在涂料工业中的广泛应用已有30多年的历史。 [3-4] 优异的防腐性能，即使在低温下也能快速固化，非常好的耐水性和耐化学性，均衡的力学性能，与环氧树脂良好的相容性和漆膜外观（较少发白）是酚醛胺和酚醛酰胺在船舶、防护和工业涂料应用中如此成功的原因之一。最近，卡德莱的专利技术使此类腰果壳油衍生固化剂的疏水性材料在水中保持稳定，无需添加助溶剂，同时保持优异的性能。本文将分享我们最新的水性固化剂产品在清漆体系、防腐底漆和中涂层中的性能数据。
结果与讨论
水性固化剂的基本性能
水性固化剂的基本性能
卡德莱的环氧固化剂产品涵盖广泛的性能，如固化速度、适用期、稀释性能和防腐性能。本文提供的数据可以协助配方师选择最合适的产品型号。表1显示了我们的四种水性固化剂和一种称为COM的商用固化剂的典型特性，这些将作为盐雾结果的参考。由于NX-8101与液体环氧树脂具有良好的相容性、自乳化性能，即使在10℃/80%相对湿度下也能快速提升硬度，并且对干湿混凝土具有良好的附着力，即使本文未提及地坪的数据， NX-8101也推荐用于地坪应用。
根 据 A S T M D 5 8 9 5 ， 使 用 两 种 固 体 环 氧 分 散 体（AERS-6056和NPEW291W53）测量了基于四种固化剂的无颜料清漆环氧体系的线性干燥时间。在本试验中，用水将环氧体系稀释至50%固体份，胺与环氧的化学计量比为0.8。图1中的结果表明，NX-8101在测试的材料中固化速度最快，虽然其他固化剂的固化速度也很不错。另外，我们可以看到不同环氧树脂分散体对固化速度也有较明显的影响。
针对相同的配方体系也按照ASTM D4366进行了摆杆硬度测试。这种硬度发展试验有助于评估涂层在固化初期避免轻微擦伤损坏的能力，因为摆杆硬度测试的是涂层微小的形变。图2展示了两种不同的环氧分散体，但是总体趋势非常类似，与NX-8101配合最快，NX-8401配合最慢。总的来说，所有体系的硬度都有较快的硬度发展。
大多数应用都希望达到快速固化，但操作期也必须满足最低要求。为了防止应用配方的失效，需要达到一个良好的平衡。表3详细介绍了我们固化剂的操作期。在评估试验中，使用寿命是由许多因素决定的：粘度增加，漆膜光泽度变化，以及不同时间间隔下的附着力和盐雾性能。与对固化速度的影响一样，环氧树脂分散体在操作期也起着重要作用，因此我们提供一个范围而不是单一值，方便涵盖更广的体系范围。如预期的一样，NX-8101的操作期最短（尽管仍高于1小时），NX-8401即使在45℃下也能提供很长的操作期。尽管操作期较长，NX-8401也展示了与面漆的快速覆涂性和不错的硬度发展，如图2所示。NX-8111W80和NX-8501实现了固化速度和操作期的平衡。
良好的混溶性以及与环氧树脂的相容性是避免成膜不良和性能低劣的关键。这四种固化剂与最常用的环氧树脂分散体具有良好的相容性，最终的环氧树脂体系很容易被水稀释。其中，NX-8401在水中的稀释效果最好，与环氧树脂的稀释效果分别如图3和图4所示
耐候性和防腐性能
对于某些环氧树脂体系而言，也要求达到很好的颜色稳定性，这些环氧树脂体系可用作面漆并直接与金属接触，或者作为中涂层，在涂面漆之前长时间暴露在紫外线下。众所周知，未经改性的环氧树脂体系在暴露于紫外线下时不具有很好的耐候性，但通过在配方中适当选择成分，可以将黄变程度降至最低。图5展示了我们的固化剂在AERS-6056色漆配方中的QUV-A结果，NX-8501的抗紫外线性能最好，其次是NX-8401。在需要较少变色的应用中，这两款产品是首选。
根据ASTM B117和冷凝试验，对四种固化剂的长期腐蚀防护性能进行了评估。本文将重点介绍工业和防护涂层应用中常见的具有挑战性的非喷砂基材的性能。需要在光滑的表面上很好的附着，同时达到一定的防腐保护非常难实现。如果需要额外的表面处理，也会增加应用成本。
图6是冷轧钢的盐雾结果。这些测试在不同的时段进行，但都持续了1100小时以上，并且是在低至中膜厚度下进行的。面板和划线表面的最小起泡和低蠕变都表明所有卡德莱的产品都具有良好的保护性能。此外，NX-8501在对比盐雾试验中表现出比商业竞争品更好的耐腐蚀性能。
对铝合金AA2024和镀锌钢的腐蚀防护也进行了评估，这两种基材普遍用于交通工具。每个面板上的蓝色圆圈显示了盐雾暴露600小时后的划格附着力测试结果。这种“湿”附着力试验比标准干试验（在室温下固化后进行）更为严格，因为漆膜已经暴露在恶劣条件下。如图7所示，所有四个体系在铝材上都表现出良好的干、湿附着力。尽管没有对铝合金进行NX-8101的盐雾试验，但是NX-8101在AA2024（4B）上表现出良好的附着力，因此也适合进行下一步试验。
对于镀锌钢试验，NX-8501在使用5B和4B测试的固化剂中表现出最好的性能，如图8所示。竞争材料明显更多沿划线起泡。NX-8401在镀锌钢也表现出良好的盐雾性能和干（5B）/湿（3B）附着力。
覆涂性能
在典型的工业涂层体系中，底漆在覆盖另一层涂层或施工之前，会干燥数小时或数天。然而，在汽车表面修补和其他运输和工业领域的一些应用中，最好在底漆完全干燥之前将聚氨酯（PU）或丙烯酸面漆涂覆在底漆上。这些湿碰湿应用要求30分钟或更短的覆涂时间，可能会导致最终体系的外观问题，如失光（干燥后失去光泽）。我们对市售聚氨酯面漆的评估表明，NX-8101、NX-8401和NX-8501可以在室温或表4所示的60℃条件固化环氧体系时快速覆涂。这些配方体系没有出现光泽降低，而且还提供了良好的防腐性能。另外，NX-8401也在环氧中涂评估，60℃烘烤30分钟，在室温下冷却20分钟，并用市售丙烯酸涂料进行表面涂覆。该体系表现出很好的层间附着力，也证实了NX-8401具有良好的覆涂性。
结论
卡德莱公司开发了一系列用于环氧树脂体系的无溶剂水性固化剂，产品具有优异的防腐性能和操作方便性，适用于大多数防护和工业涂料应用。我们内部评估表明，NX-8101是快速固化的首选方案，而NX-8401适合要求快速覆涂性和较长操作期的项目。NX-8111W80和NX-8501提供均衡的固化速度和操作期，NX-8501提供了最好的抗紫外线性能和最快的湿碰湿覆涂性能。总的来说，所有这些固化剂都能很好地附着在未喷砂的基材上，NX-8401和NX-8501分别在铝和镀锌钢上表现出最佳性能。卡德莱将继续投入研发资源，不断扩展新型的水性产品型号，以满足更多的性能要求。
感谢
我们感谢公司研发化学师Joe Mauck(美国卡德莱公司)、丁孝平和曾创 (中国珠海卡德莱公司) 为新产品的开发所做的宝贵工作。
参考
1. Diego Lomonaco，Giuseppe Mele and Selma E.Mazzetto，腰果壳油（CNSL）：从农业工业废料到石化资源的可持续替代品，Springer International Publishing AG 2017，P.Anilkumar（编辑），腰果壳油
2. Gedam PH，Sampathkumaran PS（1986）腰果壳油：提取、化学和应用。项目组织涂料14:115-157
3. Dai，Z.，Constantinescu，A.，Dalal，A.，和Ford，C.（1994年）。“酚醛胺多用途环氧树脂固化剂”卡德莱公司，新泽西州纽瓦克，转载自EPI-ERF会议，1994年9月
4. Lawson，Donald C.，Hu，Jing，Natesh，Anbu“腰果壳油基水性环氧混凝土固化剂”，水性研讨会，2016年2月
本文收录在《PCI中文版》杂志2020年11月刊中
