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水性环氧阻燃涂料的研制
姚国相1，方 倩2，杨 凯2，郭常青2，张善贵2(1.大连辽南船厂，辽宁大连 116041；2.海洋化工研究院有限公司，海洋涂料国家重点实验室，山东青岛 266071)
0 前 言
船舶内舱通常在舱室表面敷设一层绝缘材料起到防火、隔热、隔音等功效。这些材料的表面和拼接嵌缝处存在大量的孔眼、狭缝、沟槽、凹陷等缺陷。目前普遍采用水性乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚醋酸乙烯酯、水性环氧等体系的材料进行封闭找平。但这些封闭材料存在以下问题：弹性高，干燥后不能打磨；表干快，涂层在干燥过程中易开裂翘起，与基材附着力低；耐水性、耐热性较差；阻燃效果不好；不能在金属表面上使用。本文研制的厚浆型水性环氧阻燃涂料与金属、非金属基材附着力好，阻燃，耐水，无毒环保，能在高温、高湿和盐雾环境下封闭、找平绝缘(防火、隔热)材料，并修补甲板、舱室内外、船壳等金属表面的不平处，还可作为建筑物内、外墙体的基层处理涂料以及汽车、高速机车、动车等机械制造业、海洋工程、海上石油平台、大型钢结构等领域的表面修补涂料。
1 实验部分
1.1 实验原料
水性固化剂乳液：自制；
固化促进剂：T31，青岛千承大洋有限公司；
填料：滑石粉，青岛凯利森化工有限公司；碳酸钙，上海誉洁贸易有限公司；氢氧化铝，济南泰星精细化工有限公司；水滑石，韩国进口。
1.2 实验设备
乳化机：上海威宇机电有限公司，BME100L；捏合机：如皋市井上捏合机械厂，NH1.5；砂磨分散多用机：上海现代环境工程技术研究所；HC-2型氧指数测定仪：南京江宁分析仪器厂；附着力测定仪：美国DeFelsko；WD7-0.1高低温恒温实验箱：上海建恒仪器有限公司；QTB腻子柔韧性测定仪：上海乐傲实验仪器有限公司。
1.3 水性环氧阻燃涂料的制备
表1为水性环氧阻燃涂料的基本配方。 
1.3.1 A组分的制备
1.3.1.1 水滑石的表面改性
由于水滑石与环氧树脂的相容性差，不易均匀分散，需要对其进行适当的表面有机化改性，以提高其在基质中的分散性。改性方法：将硅烷偶联剂KH-560与5倍质量的无水乙醇用去离子水稀释，配成2%的偶联剂溶液。搅拌使硅烷偶联剂充分水解，然后将等质量的偶联剂溶液缓慢加入到水滑石中，边加边搅拌，加完偶联剂溶液后继续加入去离子水直至水滑石成为浆液。继续高速搅拌30 min以上；过滤洗涤后在85℃烘箱中干燥6 h。
1.3.1.2 A组分的制备
按表1的配方称取环氧树脂乳液、颜填料、助剂和水，依次加入捏合机中，混合、搅拌均匀制得腻子状物。
1.3.2 B组分的制备
按配方将固化剂乳液、固化促进剂用砂磨分散机搅拌均匀即可。
1.4 性能测试
施工性、干燥时间、刮涂性、打磨性、附着力、柔韧性测试项目底材为马口铁板，马口铁板的处理按GB/T9271—2008中4.3的规定进行；耐海水性底材为喷砂钢板，其除锈等级达到GB/T 8923中规定的Sa2.5级，表面粗糙度达到GB/T 13288.1—2008中规定的中级，即丸状磨料为Ry＝40～70 μm，棱角状磨料为Ry＝60～100 μm。
A、B组分按质量比3∶1充分混匀后，按GB/T 1727规定进行刮涂，控制涂膜厚度0.5 mm，涂层厚度的测定按GB/T 13452.2的规定进行。
制板后试板在符合GB/T 9278规定条件下放置7 d后进行测试。
氧指数的测试样品为自制，样品尺寸为(70～150)mm×6.5 mm×3 mm。
涂料性能具体测试结果如表2所示。
2 结果与讨论
2.1 环氧树脂的选择
从表2中性能指标可以看出，厚浆型水性环氧阻燃涂料要具有良好的施工性能和附着力，在高温、高湿度和盐雾的舱室环境下，涂层具有防霉、阻燃等功能。环氧树脂对金属、非金属黏附力强，固化后涂层耐水性能优异。因此，本研究选用环氧树脂作为涂料的主成膜树脂。由于固体环氧树脂制备环氧乳液需要加入有机助溶剂，为确保研制涂料的VOC含量满足指标要求，选用了低分子液体双酚A型环氧树脂E-44、E-51按一定比例混合，制备不含有机助溶剂的水性环氧乳液。单独使用E-44制备环氧乳液需要加入助溶剂，会造成VOC含量超标；单独使用E-51制备环氧乳液不需要加入助溶剂，但柔韧性不好。通过实验确定E-44/E-51比例为4/6。
水性环氧涂料以水代替有机溶剂，VOC含量低，安全无毒，解决了涂料施工中毒性气体挥发带来的劳动保护和环境污染问题，杜绝了火灾的危险，施工方便，在船舶内舱的应用具有独特的优势。
2.2 颜填料的选择
选用碳酸钙、滑石粉作为涂料的填料。碳酸钙是一种碱性填料，可降低涂层的起泡和开裂现象，提高涂层的附着力和防霉性；滑石粉是一种羟基络合物，在水存在的情况下，—OH效应很强，由于羟基的作用可提高涂层的附着力，并使涂料具有一定触变作用，同时滑石粉构型为羽毛状，有助于增强涂层的机械强度。
氢氧化铝兼具填充、阻燃、抑烟等多重功能，是用量最大的安全环保型无机阻燃剂。与已大量使用的无机阻燃剂氢氧化铝和氢氧化镁相比，镁铝水滑石的阻燃性能明显优于二者，既兼具两者的优点，又克服了它们的不足，是一种真正高效、无毒、低烟、高性价比的优良的环保型阻燃剂。
采用4因素(A，B，C，D)3水平(1，2，3)的正交实验法L18(34)做正交实验，考察了A组分中各填料用量对涂料阻燃性能的影响，见表4、表5。
 
根据表5排定的各填料用量，分别加入环氧乳液、固化剂、水配成9个涂料配方，做阻燃性能实验。为便于结果分析，根据氧指数测试结果按照由低到高的顺序由1至9进行了量化列于表右侧。根据表5的实验结果，做水平1，2，3的效果加和，三者最大值与最小值之差，为各个因素之极差R，极差越大者，对整个配方体系影响越大。由极差可得各因素(填料)对阻燃性(氧指数)的影响次序为：D(水滑石)＞C(氢氧化铝)＞B(碳酸钙)＞A(滑石粉)，最优水平为：A2B2C3D3。水滑石和氢氧化铝对阻燃性能的影响较大，取最大量；碳酸钙对阻燃性能影响较小，滑石粉基本对阻燃性能无影响。
3 结 语
(1)采用2种低分子量的液体环氧树脂制备了水性环氧乳液，m(E-44)环氧乳液制备的阻燃涂料柔韧性好，m(E-51)黏度小，制备乳液不需加助溶剂，当m(E-44)/m(E-51)为4/6时制备的阻燃涂料既能满足柔韧性要求又能满足环保需求。
(2)通过正交实验验证了新型阻燃剂水滑石的阻燃性能好于氢氧化铝。 |
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