据估计2017年溶剂型醇酸涂料总量超70万吨。由于各地环保政策和VOC溶剂税的出台，钢结构用溶剂型醇酸体系油转水迫在眉睫。
作者：束树军，陶氏化学（中国）投资有限公司
中国钢结构市场增长迅速，其防腐市场巨大，目前主要是溶剂型体系为主，其中溶剂型醇酸体系在中国涂料历史上占有举足轻重的作用，据估计2017年溶剂型醇酸涂料总量超70万吨。由于各地环保政策和VOC溶剂税的出台，钢结构用溶剂型醇酸体系油转水迫在眉睫。由于溶剂型醇酸漆的高光及耐性，一般用水性丙烯酸体系来取代，但是很多产品难以达到相应的性能。本文研究了以水性丙烯酸树脂MAINCOTE™ HG-100高光乳液为成膜物质，辅以合适的颜填料和助剂，制备出了具有优异光泽展现力的水性丙烯酸涂料。基于该丙烯酸树脂制备的白色高光涂料光泽可达95以上（60°角），且具有优异的早期耐水性和耐盐雾性能，适用于各种钢结构，栅栏，道路护栏，工业零部件，挂车，围栏等。相比于溶剂型醇酸体系，光泽和耐性相媲美，在干燥速度和耐候方面比溶剂型醇酸体系拥有更大的优势。
引言
中国的钢结构市场增长迅速，2011~2016年钢结构保持高速增长，复合增长率超过15.0%。十二五规划提出2015年钢结构产量相比2010年翻一番的战略目标，促进钢结构产业快速发展，2014习近平总书记提出的共建丝绸之路经济带从构想进入务实合作阶段，沿途的基础设施建设为我国的钢结构企业带来新的发展机遇，钢结构行业仍将继续保持快速增长势头。十三五规划钢结构的目标是到2020年全国钢结构产量比2014年翻一番，达到8000万吨~1亿吨。
钢结构的快速增长带动了防腐涂料行业的快速增长。钢结构防腐涂料中溶剂型醇酸体系占比较大，据不完全统计2017年溶剂型醇酸涂料总量超70万吨，是目前国内生产量最大的单一品类涂料之一，一般用于钢结构，金属防护，农机，工程机械等应用领域，具有价格便宜，施工简单，对施工环境要求不高，漆膜丰满，光泽高，装饰性和保护性都比较好的优点。但是溶剂醇酸漆存在干燥较慢，VOC含量高，且非常容易粉化，耐候性不佳。传统的溶剂型醇酸漆含有大量的溶剂，还有催干剂，颜料等，在生产和施工过程中会严重危害环境和操作人员的身体健康，近年来随着环保法规的日益严格，传统的溶剂型涂料受到越来越大的挑战。
水性丙烯酸乳液具备干燥快，耐候好，防腐和耐水性能佳等特点，也可以达到较高的光泽和丰满度。众多国内涂料企业纷纷投入研发钢结构用水性防腐涂料，研制开发了单组分的水性丙烯酸底漆和面漆，但是水性丙烯酸面漆的光泽仍然较差，美观程度和耐性无法跟溶剂型醇酸体系相媲美。钢结构用水性防腐涂料产品标准已经于2018年4月1日正式实施，该产品标准将有助于规范钢结构用水性防腐涂料市场，对于水性防腐涂料产品的推广和发展将具有极大的引领和推动作用。
鉴于此，陶氏化学亚太区研发中心倾情开发了水性丙烯酸 MAINCOTE™ HG-100高光乳液，专门用于制备高光漆用于取代溶剂型醇酸体系。本文制备了基于MAINCOTE™ HG-100的水性丙烯酸涂料，并测试了相关的漆膜性能，并对其性能进行了评估和测试。
1实验部分
- 主要原料及仪器
原料：钛白粉，科慕；亚硝酸钠，本地；十二醇酯，伊斯曼；分散剂，消泡剂，润湿剂，增稠剂等助剂，陶氏化学；Dowanol™ DPM， 陶氏化学；
仪器：高速分散机：上海现代环境工程技术有限公司；数显光泽度仪；德国毕克化学；旋转黏度计：美国Brookfield公司；激光粒度分析仪：美国布鲁克海文仪器公司；盐雾测试箱Q-Fog、加速老化试验箱：美国Q-Lab；分析天平：瑞士梅特勒 托利多；DSC差示扫描量热仪：沃特斯科技有限公司； 岩田喷枪，日本岩田IWATA公司；干膜测厚仪，本地企业；
1.2高光涂料的制备
用水性丙烯酸酯乳液MAINCOTE™ HG-100制备高光面漆涂料，制备配方如表1所示，其中包括打浆阶段和调漆阶段。
表1 基于MAINCOTE™ HG-100的高光涂料制备配方
| 原料名称 | 重量 | 功能 | |
| 打浆阶段 | |||
| 去离子水 | 45.00 | 稀释剂 | |
| 特好散™ 681 | 8.37 | 分散剂 | |
| 氨水 (28%) | 2.15 | 中和剂 | |
| Dow Coring™ 8590 | 0.49 | 消泡剂 | |
| TRITON™ HW-1000 | 2.00 | 润湿剂 | |
| Ti-Pure™ R-706 | 210.00 | 钛白粉 | |
| 去离子水 | 42.00 | 稀释剂 | |
| 配漆阶段 | |||
| MAINCOTE™ HG-100 | 575.00 | 丙烯酸乳液 | |
| 去离子水 | 12.00 | 稀释剂 | |
| 氨水（28%） | 4.00 | 中和剂 | |
| 亚硝酸钠水溶液 (15%) | 9.00 | 防闪锈助剂 | |
| 亚乐顺 ™ RM-8W | 3.20 | 增稠剂 | |
| Dowanol™ DPM | 22.00 | 成膜助剂 | |
| 十二醇酯 | 25.48 | 成膜助剂 | |
| 去离子水 | 19.31 | 稀释剂 | |
| 合计 | 1000.00 | ||
1.3 漆膜的制备
将基于MAINCOTE™ HG-100乳液制备好的高光防腐涂料采用空气喷涂或者湿膜制备器刮膜等方式，将涂层覆盖在相应的基材上，然后室温条件下养护一定的时间，干燥后测试漆膜厚度以及漆膜的各项性能等。
1.4漆膜性能测试
漆膜的相关性能参照相应的测试标准如下：
参照GB/T1743-1979测试漆膜的光泽度；参照GB/T1728—1989测试漆膜的干燥性能；参照ASTM B117—2011测试漆膜耐盐雾性；参照GB/T1733-1933测试漆膜的耐水性和早期耐水性；参照GB/T9286—1998测试漆膜的附着力；参照GB/T1865—2009测试漆膜的耐候性；
2 结果与讨论
2.1 漆膜的光泽对比
溶剂型醇酸体系的最大优点是光泽比较好，施工性能佳等特点。诸多产品都很难达到如此光泽。基于MAINCOTE™ HG-100制备的涂料跟市面上知名的溶剂型醇酸漆对比测试结果如下表2所示。正如表2可以其漆膜的光泽可以达到96（60°角），跟溶剂型醇酸漆膜相比非常接近，施工性能较类似，但该水性丙烯酸体系VOC含量却比溶剂型醇酸体系低很多，气味也小很多，具有明显的环保型。
表2 漆膜的物理性能对比
| 性能 |
MAINCOATE™
HG-100(白漆) |
溶剂型醇酸（白漆） |
| 光泽（20/60/85） | 80/96/97 | 81/97/99 |
| VOC 含量(g/L) | <100 | >420 |
| 气味 | 轻微的味道 | 刺鼻的溶剂味道 |
| 表干时间(25℃, 60%湿度), m | 21 | 27 |
| 实干时间(25℃, 60%湿度), m | 44 | 80 |
从干燥性能数据可以看出，基于MAINCOTE™ HG-100的白漆产品具有明显的快速干燥性能，在表干和实干性能上都要优于溶剂型醇酸体系，且该性能也已经得到诸多客户的认可。因此，从物理性能上来看，基于MAINCOTE™ HG-100制备的漆样在诸多的水性丙烯酸防腐漆中具有较高的光泽，较快的干燥速度，以及较低的VOC排放量，故该产品客户端的认可度比较高。
2.2白色高光涂料的耐性测试
2.2.1早期耐水性测试
很多钢结构户外施工后，尤其是夏天可能会有风云突变，暴雨来袭的事件发生，如果漆膜的早期耐水性比较差，就会影响漆膜的外观和性能，比如起泡，生锈，脱落等问题，所以钢结构用水性防腐涂料对于漆膜的早期耐水性有比较大的性能要求。
早期耐水性是钢结构防腐涂料比较重要的一个性能。我们选取了市面上一些知名的竞品对比了早期耐水性。采用相同的配方进行对比，采用湿膜制备器制备湿膜在200um左右，涂层干膜在45~55um左右，干燥75分钟后直接进行去离子水浸泡，浸泡200小时（约8.3天），从测试结果可以看出，MAINCOTE™ HG-100展现出优异的早期耐水性，没有发现起泡和生锈的现象，而其他产品都已经出现了不同程度的起泡或者生锈等问题。MAINCOTE™ HG-100优异的早期耐水性主要源于MAINCOTE™ HG-100的快速干燥性能，快干可以提供较好的漆膜强度以及漆膜耐性，对于早期耐水性能的建立具有比较大的帮助。
| 比较乳液1 | 比较乳液2 | MAINCOTE™ HG-100 | 比较乳液3 |
| 4M | 6MD | 10 | 2D |
| 200 hours | 200 hours | 200 hours | 200 hours |
图1 早期耐水性对比测试
2.2.2 耐盐雾的性能测试
钢结构用水性防腐涂料作为轻防腐中比较重要的一个性能就是耐盐雾性能，一般耐盐雾性能短则需要72小时，长则需要150小时，MAINCOTE™ HG-100的防腐性能如何呢？首先利用湿膜制备器制备了250um左右的湿膜，干膜厚度在60~75um左右，养护七天后根据ASTM B-177测试方法进行测试。
| 比较乳液1 | 比较乳液2 | MAINCOTE™ HG-100 | 比较乳液3 |
| 6M/10% rust | 6M/15% rust | 8F | 4D/95% rust |
| SST 150 hours | SST 150 hours | SST 150 hours | SST 150 hours |
图2 耐盐雾性能测试对比
正如图2所示，针对市场上的对比乳液产品，MAINCOTE™ HG-100具有优异的耐盐雾性能，其他产品都具有不同程度的起泡，生锈等问题。由此可以看出基于MAINCOTE™ HG-100制备的高光漆具有较好的耐腐蚀性能，漆膜致密性佳，可提供长久的保护性能。
2.2.3 漆膜的耐候性能对比
钢结构防腐涂料对于耐候也有一定的要求，但是常用的溶剂型醇酸体系，耐候性能比较差，表面很容易出现失光，粉化等现象，很多涂层一般是一年一涂，甚至有的半年一涂，造成人力和资源浪费。且由于人工成本的上升以及环保政策的出台，溶剂型醇酸体系的油转水迫在眉睫。
以铝板为基材，制备漆膜为50~60um的干膜厚，然后放入QUV-A 340测试箱子中，测试结果如图3所示，基于MAINCOTE™ HG-100的高光涂料与溶剂型醇酸耐候性对比实验结果。从测试结果可以看出，MAINCOTE™ HG-100没有粉化现象发生，并且还有不错的保光性（保光率70%左右），∆E的测试数据也只有0.78。而溶剂型醇酸体系则发生了严重的粉化现象，几乎没有了光泽，性能急剧下降，∆E高达8.3，根据耐候性的要求可以看出，相比于溶剂型醇酸体系，MAINCOTE™ HG-100具有不错的耐候性能，适用于户外的钢结构应用，不会出现粉化等问题。
| MAINCOTE™ HG-100 | 溶剂型型醇酸 |
| 未粉化 | 严重粉化 |
| 保光率：67% | 保光率：5% |
| 500hrs QUV-A 340 | 500hrs QUV-A 340 |
图3 漆膜耐候性的对比测试
2.2.4 漆膜附着力测试结果
涂膜与基材之间的附着力主要是受树脂中功能基团的影响，不同的功能基团会对附着力产生较大的影响。附着力主要是有三种表现形式：物理吸附，化学吸附和化学共价键。不同的基材附着力也不尽相同。常见的金属基材有如下图4几种。
图4 漆膜附着力的对比测试
划格测试结果如图4所示，基于MAINCOTE™ HG-100制备的高光漆在各种不同的基材上都具有优良的附着力表现，甚至连比较难附着的镀锌板、马口铁板和铝板都有不错的附着力。MAINCOTE™ HG-100中含有的功能基团对于各种基材附着力的增强有比较大的帮助。
结语
本文主要研究了钢结构用溶剂型醇酸取代的水性解决方案。采用MAINCOTE™ HG-100制备的高光漆展现出优异的高光泽和早期耐水性。制备了一种综合性能优异的室内和户外钢结构用面漆。利用该丙烯酸乳液MAINCOTE™ HG-100制备的涂料具有优异的光泽展现力，优异的早期耐水性和优良的耐盐雾性能，该树脂制备的高光漆光泽60度角可以达到95以上，湿膜干燥75分钟后浸泡去离子水8.3天都不会有任何起泡现象，跟市面上其他乳液相对比，具有比较大的性能优势性，同时耐盐雾也有不错的性能表现。综上所述，MAINCOTE™ HG-100丙烯酸乳液是一款可以制备高光泽涂料的树脂，制备的高光涂料具有取代溶剂型醇酸体系的相关性能，且具有低VOC，低气味的环保解决方案。
致谢
感谢为此项目辛勤付出的陈辉，喻鸣曲，李耀邦，高宇峰，唐佳，郑宝庆，凌华,蔡宇，贠栋，郭颜等，在此一并表示感谢。
参考文献
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2 钢结构用高光泽高硬度水性丙烯酸面漆的制备与性能研究； 胡梦 [D] 华南理工大学 2013
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