水性粘合剂底漆系统| PCI杂志 - 2022年世界杯分组表

从环氧化学的早期开始，基于“1型”固体环氧树脂与聚酰胺胺组合而成的标准底漆一直主导着腐蚀防护领域。除了优异的防腐性能外，该类型系统的成功还得益于其他几个特性:

容忍混合比;

适用于所有类型的应用技术(刷，辊，喷涂)的极长锅寿命;

非常好的机械性能(抗冲击性和附着力);

干燥时间相对较短(粉尘干燥);

良好的光学性能(流动性和光泽度);而且

成本效益。

然而，这些体系需要诱导期，这段时间允许环氧树脂和固化剂(粘合剂)在涂覆涂料之前发生一定程度的反应。这增加了粘结剂组分的相容性，并改善了涂层的性能。对诱导期的需要可以通过改性硬化剂(如加合物)来减少或消除。

从性能的角度来看，很少有理由改变这个系统。今天新发展的主要驱动力是法律或环境方面的问题。溶剂是地面臭氧(“雾霾”)形成的主要因素，是造成环境和健康问题的部分空气污染物。(1)不幸的是，这种1型/聚酰胺胺体系需要大量的溶剂(喷雾应用约50% v/v)。美国环保署、加州南海岸空气质量管理区(SCAQMD)和许多欧洲国家已经建立了溶剂减少计划，迫使配方商和涂抹者减少涂料中的VOC含量。私营公司和行业组织也同意分别减少其VOC排放量，并通过评估其他环保技术，如水性、高固体、无溶剂和粉末涂料，为其产品线设定限制。2022世界杯八强水位分析

每个人都认为挥发性有机化合物越少对环境越好。然而，这个看似简单的目标即使不是不可能实现，也很难实现，这通常有技术上的原因。本文介绍了一种低voc水性防腐底漆，用于重型防腐。

金属底漆用标准环氧粘合剂

标准环氧体系是以低分子量(1型)固体环氧树脂为基础的。它具有良好的附着力和柔韧性，良好的耐化学性以及涂层的物理(“漆”)干燥性能。它也与硬化剂的聚酰胺胺化学相容。

传统的聚酰胺胺硬化剂是一种高粘性材料，通常以溶液形式使用，通常在芳香族溶剂中。这种硬化剂的主要成分是二聚脂肪酸与乙烯胺反应，通常是三乙烯四胺。该固化剂可生产具有良好附着力、耐水性和优异防腐性能的柔性涂料。

1型树脂和聚酰胺胺硬化剂的组合导致溶剂性涂料的锅寿命超过8小时;对一个普通工作日来说绰绰有余。为了提高防腐蚀性能，经常使用稍微过量的环氧树脂。由于固体和高粘性的成分，必须使用额外的溶剂来允许涂层应用。对于常规喷涂应用，溶剂含量增加以降低粘度，导致VOC含量超过450 g/L。达到应用粘度所需的高水平溶剂极大地改善了流动特性，易于应用并延长了锅的寿命。

减少挥发性有机化合物

很明显，减少这种粘合剂体系中的溶剂(VOC)含量将导致涂层很难，如果不是不可能，使用常规设备应用。除了使用专为应用高粘性材料而设计的专用应用设备外，减少VOC最合理的方法是使用低粘性树脂和/或硬化剂，使用无VOC溶剂或使用水性技术。

高固体含量的系统

热固性体系的不同固化阶段(灰尘干燥、干-触摸、干-处理等)与聚合物网络形成时分子量的增加成正比。传统的基于1型的系统以相对较高的分子量开始这场凝固竞赛。溶剂蒸发固化主要取决于溶剂的蒸发速率。高分子量聚合物导致高溶液粘度，需要高水平的溶剂才能达到应用粘度。使用低分子量环氧树脂，如基本液态环氧树脂(环氧当量为182- 192g /eq.)，减少了应用粘度时对高溶剂水平的需求。为了使涂膜凝固，基于液态树脂的涂料需要与硬化剂成分发生化学反应。这种化学反应通常比纯溶剂蒸发需要更多的时间。因此，这些高固体体系需要更长的时间才能达到粉尘干燥或干燥处理阶段，特别是在较低的环境温度下。与固体树脂相比，液态树脂的环氧含量也更高，与1型树脂基系统相比，锅寿命更短。

VOC-Exempt溶剂

使用免挥发性有机化合物溶剂减少挥发性有机化合物并不像看起来那么简单，并且使用它们进行配方可能具有挑战性。与传统溶剂相比，这些溶剂通常会带来更高的成本。此外，有些产品的闪点非常低，这增加了运输成本和安全问题。溶解度的差异，与胺类硬化剂的不相容性和高蒸发速率是影响性能的关键因素，必须妥善解决，否则可能会出现性能和应用性能不佳的情况。

水性系统

降低VOC水平的最好方法很可能是通过使用廉价的、无VOC的载体(如水)来消除大部分(如果不是全部)溶剂。水性环氧乳液提供了在前面讨论的1型/聚氨基胺体系中使用高分子量固体环氧树脂的机会，而不需要过多考虑粘度。在这些固体树脂乳液中，使用表面活性剂将树脂分散在水中。表面活性剂允许形成1 μ m量级的离散微观颗粒。这些颗粒需要一些溶剂(VOC)来促进颗粒的结合，形成连续的薄膜。

与稳健的溶剂型体系相比，水性涂料配方对原材料的变化和配方的差异非常敏感。微小的更改可能导致性能的显著下降。因此，优化配方和原料的选择对于保证水性涂料的稳定性能至关重要。水性硬化剂的选择不当也会导致性能不佳，并导致对水性环氧树脂技术在关键应用中的一些怀疑。配方师需要了解现有的技术和商业产品，以帮助他们优化配方并满足当今苛刻的性能标准。2022世界杯八强水位分析

当前的需求

在过去的几年里，对底漆系统提出了新的要求。其中许多变化是由监管要求和/或经济因素驱动的。下面列出了一些例子。

提高对各种基材的附着力，特别是对未处理的冷轧钢等制备不良和困难的基材的附着力。通过减少表面处理，降低了项目成本。

通过减少维护工作和延长保修期(提高耐腐蚀性)来提高成本。

更快的治愈，不牺牲锅的寿命。

通过提供不含腐蚀性挥发性胺的硬化剂，提高了操作人员的安全性。这可能会减少对皮肤和眼睛的刺激，以及致敏作用。

扩大了15°C以下水性系统的应用窗口。

所有这些性能主要受固化剂的技术概况和性能的影响。最新的趋势还揭示了对极低voc配方的需求，这些配方具有与固体树脂基涂料相同的干燥性能。

水性环氧底漆

表1点击放大

水性2K环氧底漆已成功应用于工业应用超过15年。在过去的几年中，由于美国和欧洲关于保护环境的新立法以及涂料中VOC含量的降低，对水性涂料系统的需求增长显著增加。例如，SCAQMD自2006年7月1日起对引物制定了100g/L的VOC限制。

最初，在某些应用中使用水性产品有一些限制，因为它们无法满足所需的性能特性。然而，在过去的几年里，随着金属表面专用产品的引入，水性系统的性能有了极大的提高。除了使用水的物理限制外，这些发展极大地降低了水性产品在防腐底漆应用中取代溶剂型(和高固体)系统的限制。水性产品在寒冷环境中的储存和运输问题仅限于环氧树脂乳液，因为其冻融稳定性通常较差。使用基于碱性液体环氧树脂的体系可以完全避免这一问题。然而，水性固化剂必须能够乳化液态环氧树脂。最佳情况下，固化剂也将提供足够的锅寿命。

图1点击放大

环氧粘结剂新技术

针对目前高性能voc兼容底漆的性能要求，研制了新型水性胺类固化剂(Aradur®3986环氧固化剂)和新型固体环氧树脂乳液(Araldite®PZ 3961-1环氧树脂)。固化剂Aradur®3986环氧固化剂是一种配方多胺加合物溶液，固体含量为40% (w/w)。认为Aradur®3986环氧固化剂的开发是水性环氧底漆技术的重大进步，原因如下:

无挥发性胺;

没有溶剂;

锅寿命长;

非临界混合比;

快速干燥，即使使用液体环氧树脂;

与水性环氧乳液和液态环氧树脂均具有优异的相容性;而且

对高难度基材具有优异的附着力，优于传统溶剂型溶液。

新开发的乳液Araldite®PZ 3961-1环氧树脂提供了理想的固体树脂性能，而不受高溶剂水平的限制。Araldite®PZ 3961-1环氧树脂的一些主要特点是:VOC含量相对较低，约140g/L;快“漆”干性;对困难的基材具有优异的附着力;还有高闪点。

Araldite®PZ 3961-1环氧树脂含有的VOC水平通常存在于标准溶剂型固体环氧树脂的一小部分，但不能用于制备零VOC底漆。零voc底漆可以使用液态环氧树脂制备，因为不需要聚合溶剂。然而，如前所述，高固体和无溶剂体系通常不具备固体环氧树脂的快速接触干燥能力。

当与液体环氧树脂(及其水性乳液)配制时，Aradur®3986环氧固化剂能够在23°C下配制零voc底漆和涂料，锅寿命为3-4小时。此外，根据配方中的固体含量，它们可以提供一个明显的罐寿命结束，表明粘度增加，最终凝胶化。Aradur®3986环氧固化剂的一个主要优点是它能够提供快速干燥处理液体树脂。表1提供了基于Araldite®PZ 3961-1环氧树脂和Araldite®GY 6010环氧树脂的类似配方底漆的比较。物理干燥(灰尘干燥)时间约长1小时，但其干燥到处理的时间与基于Araldite®PZ 3961-1环氧树脂的涂层大致相同。

图2点击放大

对困难基材的优异附着力为配方师提供了配制表面耐受性底漆的工具。为了说明这一特点，冷轧钢板被涂上一种基本底漆配方，该底漆配方基于Aradur®3986环氧固化剂和Araldite®PZ 3961-1环氧树脂，另一种是Araldite®GY 6010环氧树脂，仅使用惰性颜料和填料。以1型固体环氧树脂(SER)/聚氨基胺(PAA)为基础的标准溶剂型底漆作为对照。所述溶剂剂型含有磷酸锌防腐颜料。根据理论化学计量学计算，三种配方都使用了80%的固化剂，从而提高了耐腐蚀性。如图1所示，基于Araldite®GY 6010环氧树脂的水性底漆在盐雾暴露500小时后(根据ASTM B 117标准)比溶剂型底漆具有更好的耐腐蚀性。

使用Aradur®3986环氧固化剂和Araldite®PZ 3961-1环氧树脂获得了最低的蠕变量。应该指出的是，这个测试程序的目的是突出各自粘合剂的性能特性，而不是优化配方。预计使用防腐颜料或缓蚀剂和粘附促进剂(即硅烷)对这些配方进行优化将导致性能的提高。

图3点击放大

低温条件下的性能

研究表明，当与Aradur®3986环氧固化剂一起使用时，液体环氧树脂粘结剂体系的干燥时间可以接近固体环氧树脂乳液粘结剂。这种组合的另一个积极的特点是低成膜温度(MFT)，允许低至10°C的应用没有问题。虽然Araldite®GY 6010环氧树脂涂层的MFT小于10°C，但在感应时间少于3小时的情况下，它没有形成连续的薄膜。图2所示的结果是在无色素漆中得到的。

正如预期的那样，表面硬度在10°C的发展要慢得多，但在23°C的额外固化时间2天后，达到了与23°C固化涂层相同的硬度水平(图3)。

图4点击放大

为了验证在低温条件下固化的Araldite®GY 6010环氧树脂/Aradur®3986环氧固化剂基底漆仍能提供高度的耐腐蚀性，将其涂在喷砂钢板上，并在10℃和80%相对湿度(RH)下固化，并在23℃和50%相对湿度下进行比较。为了模拟固体树脂分散基涂料推荐的应用过程，在23°C下，在8小时内(模拟正常工作日)涂上三层底漆[每层3 mil (75 μ m)干膜厚度]。所有面板在相应温度下固化7天，然后开始盐雾暴露试验。

经过8000小时的盐雾试验，涂层的性能水平没有明显的差异，说明在10℃固化的涂层达到了与23℃固化的涂层相似的耐腐蚀水平(图4A和4B)。

图5点击放大

低voc水性防腐底漆

开发Aradur®3986环氧固化剂的驱动力是开发一种低voc水性防腐底漆，该底漆可以满足标准高voc 1型/聚酰胺胺体系的性能标准和应用性能。理想情况下，应该能够配制出不含重金属和有害空气污染物(HAPs)的高性能防腐底漆。这样的底漆对于施药者和环境都应该是友好的。相信这些目标已随着拟订公式A-2而实现。

表2点击放大

配方a -2的设计是为了匹配金属底漆溶剂型环氧体系的主要优点:耐腐蚀性和保护困难和制备不良的基材，非临界混合比，良好的应用性能和快速固化，具有较长的锅寿命。此外，水性体系能够解决标准体系的一些重要局限性，包括高VOC含量、高可燃性、重金属和/或HAP含量。配方A-2满足严格的SCAQMD工业维护VOC要求和防腐底漆苛刻的性能要求。

配方A-2与基于液态环氧树脂/聚酰胺胺化学的溶剂基表面耐受性底漆的比较见表2。

表3点击放大

此处使用的商业溶剂型底漆用于说明前面讨论的几个要点。这种商用底漆的一些性能特性是为了达到高耐腐蚀性，表面耐受性和快速固化以及低VOC。聚酰胺胺固化剂有助于提高耐腐蚀性和表面耐受性，但也增加了溶剂的需求。

表4点击放大

由于采用液态环氧树脂，可以达到高固相，但代价是较长的触干和干至处理时间，较短的锅寿命和较低的抗冲击性。与使用1型固体树脂相比，冷轧钢等难处理基材的附着力和防腐蚀性能会降低。

配方A-2除了在VOC方面具有显著优势外，在锅寿命、干燥时间、与冷轧钢的附着力和抗冲击性方面也具有优势。a -2在喷砂钢和冷轧钢(一种难处理的基材)上的防腐蚀性能被证明略好于商用底漆。

图5点击放大

每个底漆在盐雾暴露1000小时和2000小时时的耐腐蚀测试面板分别如图5和图6所示。相应的耐腐蚀等级见表3和表4。

图6点击放大

在盐雾暴露1000小时后，配方A-2在未处理的冷轧钢上表现出比溶剂型对照更好的耐腐蚀性，从划线额定值和蠕变来看。这一结果证实了a -2对这种相对光滑的基材具有更好的附着力，这是底漆的一个关键特性。配方A-2在喷砂钢的划痕等级和蠕变方面也表现得更好。尽管其膜厚较低，A-2底漆具有与对照组相同的起泡等级。

两种底漆在冷轧钢上的2000小时测试结果都很差，仅用于比较。与对照组相比，涂有配方a -2的喷砂板在第二个1000小时的暴露期间表现出更高的攻击率;然而，划痕额定值和蠕变仍有所改善。同样，水性底漆似乎比溶剂性底漆稍微更耐起泡，只有几个小水泡;控制板上的水泡在尺寸上要大得多，但数量也很少。这些结果表明，Araldite®PZ 3961-1环氧树脂/Aradur®3986环氧固化剂粘合剂体系能够在不影响其他所需性能的情况下提供高水平的防腐蚀保护。

结论

附录A点击放大

几十年来，标准溶剂型、1型固体环氧树脂/聚酰胺胺体系由于其优异的耐腐蚀性和低成本等多种原因一直主导着腐蚀防护领域。不幸的是，相关的高VOC正逐渐迫使涂料制造商制定远离这种老化技术。降低挥发性有机化合物的水平可以用很少的方法来实现。水性技术具有低VOC的优点，可以提供当今所需的高性能。

本文介绍了一种新型的水性环氧胶粘剂体系，旨在解决耐腐蚀底漆配方所面临的挑战。还提出了一种优于商业溶剂型防腐底漆的起始配方。

使用Aradur®3986环氧固化剂的配方剂受益于高质量的耐腐蚀底漆，适用于一系列不同的和非常特定的应用。Aradur®3986环氧固化剂的主要优点是对难处理基材(即制备不良或未经处理的钢材、冷轧钢、镀锌钢、铝等)具有优异的附着力，并与液体环氧树脂和液体和固体树脂的水性乳液具有出色的兼容性。与固体树脂乳液相结合的Araldite®PZ 3961-1环氧树脂有助于实现上述困难基材的最佳附着力。

使用Aradur®3986环氧固化剂，配方师可以设计出VOC非常低(甚至为零)、低敏化潜力和良好应用性能的底漆。Aradur®3986环氧固化剂可用于工业防腐底漆应用，以及喷砂基材上的重型底漆-即使在低至10°C和80%相对湿度的温度下使用。因此，配方剂可以受益于其通用性，只需使用一种着色硬化剂基础，以覆盖许多不同的底漆应用。这种多功能性提供了高性能、改善经济和物流的实际好处，而不受当前VOC法规的限制。