水性防腐转锈乳液的合成与性能研究

摘要

水性防腐带锈涂料又被称为锈面上的涂料、直接不用去锈型涂料，换言之就是一种新型的可以直接涂刷于有残余锈迹的金属基材表面的涂料，多用作金属保护的底漆，将它涂刷于有残锈的金属基材表面，不需对锈蚀金属进行非常彻底的除锈，因而具有减少涂漆前处理的成本、减轻劳动强度、保护环境及保护人类身心健康等优点，其中转化型水性涂料更具有良好广阔的应用市场前景。其中转化型涂料中含有一种成分，为转锈剂，它能与铁锈发生作用，会生成结构或性质稳定的五元、六元螯合物或络合物，粘着依附在金属基材表面上，可使锈蚀稳定、转化，可以达到防锈转锈以及保护金属的作用。传统的转锈剂一般以磷酸-单宁酸，磷酸-有机酸/无机酸等转锈体系应用较为广泛，然而这些转锈剂同时也存在许多问题，比如其转锈效果容易受各种因素所影响，像单宁酸的种类变化、浓度大小、磷酸或者其他酸种类以及浓度大小等因素，也与金属基材表面的腐蚀情况（如锈蚀的多少）等也都存在较大影响关系，如单宁酸分子量大、结构复杂、浓度不好控制；磷酸是中强酸，酸性强，转化后容易产生残留，进而继续腐蚀金属基材内部，影响涂层的长期防腐；金属基材防腐受多因素影响，单单锈蚀方面，就存在表面不均、薄厚不一、没有可测试的具体的标准等问题。
　　基于以上分析，本论文从高能、高效、环保的角度出发，以多元酚类化合物取代传统的转锈体系，克服以往对金属基材产生的防腐效果不明显、过腐蚀、涂膜不均匀或附着力差等问题。实验制备选择的转锈基质是没食子酸，其是一种多酚羟基化合物，能与锈蚀中的铁离子发生络合作用，利用其中的酚羟基能够与铁离子配位生成稳定的络合物的原理，让其与小分子物质作用，得到新型转锈体剂。设计实验分别让没食子酸与马来酸酐、1,2-丙二醇等的反应制备具有转锈作用的络合剂单体，制备完成分别分析测试不同转锈剂的各项性能以及各性能之间分别进行对照比较。磷酸化试剂选用P2O5，让其与β-丙烯酸羟乙酯（具有双官能团结构）发生反应，生成的磷酸酯功能单体具有抗闪蚀作用，用以改善乳液性质，提高乳液涂层附着力以及涂膜光泽度。本论文选择使用预乳化-半连续种子乳液聚合方法，参与乳液聚合的功能单体有：上述实验制备的功能性的磷酸酯单体、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸等丙烯酸类单体，再加之铁锈转化剂，乳液聚合进行共聚制备水性防腐转锈乳液，使得乳液防腐性能升级。
　　通过红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和X射线粉末衍射(XRD)对转锈剂与铁锈作用物的结构进行分析表征；热稳定性分析采用示差扫描量热分析(DSC)测定；采用环境扫描电子显微镜+能谱仪(SEM+EDX)测试锈蚀及转锈剂与铁锈的作用物的微观形貌以及涂层元素的种类及元素含量；运用电化学方法分别测试各电化学参数，随pH、浸泡时间的不同涂层的变化来分析其涂层的防腐蚀性能。测试乳液的多项理化性能，进而分析其乳液涂层的成膜性及防腐性能；采用Turbiscan lab稳定性分析仪，分析测试乳液的稳定性能；采用纳米粒度表面电位分析仪，分析测试乳液的粒径及粒径分布指数；分析测试涂层的附着力大小、涂层的铅笔硬度级别以及涂层的耐水性、耐盐雾性能。结果表明：实验制得的转锈剂都呈粘稠液，其中转锈剂Ⅲ黏度最大，其次为转锈剂Ⅱ，转锈剂Ⅰ黏度最低；各项结构测试对照表征分析可得，各转锈剂涂覆锈蚀钢铁后，转锈剂与锈蚀良好作用，转锈效果明显，涂层都会变黑，且涂层附着力良好，但干燥时间略有差异，其中转锈剂Ⅱ与转锈剂Ⅰ表干及实干时间短，转锈彻底、均匀，现象及效果明显。各转锈乳液测试结果比较得：各乳液黏度、固含量、凝胶含量差异不大，乳液粒径、粒径分布指数都较小，粒径曲线均成单峰且窄峰分布，说明乳液粒径都较均一，附着性良好；各项稳定性测试分析得转锈乳液Ⅱ稳定性较优；通过各项测试表征得，转锈剂Ⅱ与锈蚀作用物的涂层性能，以及转锈乳液Ⅱ形成的涂层各项性能优异，粒径大小测试为44.75 nm，其分布指数为0.541，通过分析得，该水性乳液粒径分布均一、可稳定存在；附着力测试结果为1级，铅笔硬度为HB，涂膜吸水率低，涂膜的耐中性盐雾测试为72 h不起泡、不脱皮、不返锈；该功能性转锈乳液具有表干时间短、附着力良好、成膜良好、耐腐蚀性能优异等特点。该乳液可用于大型铁结构、建筑、桥梁、海上钻井平台等的腐蚀防护。

目录

1 前言

1.1 研究背景

1.2带锈涂料研究进展

1.2.1国外带锈涂料研究进展

1.2.2国内带锈涂料研究进展

1.3 水性防腐带锈涂料的种类

1.3.1稳定型带锈防锈涂料

1.3.2渗透型带锈防锈涂料

1.3.3转化型带锈防锈涂料

1.3.4综合型带锈防锈涂料

1.4本课题的研究意义及主要内容

1.4.1研究意义

1.4.2主要研究内容

1.5 创新点

2 铁锈转化剂的制备及性能研究

2.1引言

2.2实验材料与方法

2.2.1试剂与原材料

2.2.2实验仪器

2.2.3铁锈转化剂Ⅰ的制备

2.2.4 铁锈转化剂Ⅱ的制备

2.2.5铁锈转化剂Ⅲ的制备

2.2.6转化膜的制备

2.2.7转锈剂的性能测试

2.2.8铁锈转化剂的作用机理

2.3 结果与讨论

2.3.1各转锈剂及其转化膜的性能

2.3.2红外光谱分析

2.3.3 XRD测试结果

2.3.4 DSC测试结果

2.3.5 XPS测试结果

2.3.6 不同pH 3.5%NaCl溶液中转化膜电化学行为分析

2.3.7 不同浸泡时间转化膜电化学行为分析

2.4本章小结

3 水性带锈乳液的合成与性能研究

3.1引言

3.2 实验材料与方法

3.2.1 试剂与原料

3.2.2实验仪器

3.2.3磷酸酯功能单体的制备

3.2.4水性转锈乳液的制备

3.2.5 乳液性能测试

3.3结果与讨论

3.3.1水性转锈乳液性能测试结果

3.3.2粒径测试结果

3.3.3稳定性测试结果

3.3.4 0-72h的Bode谱图分析

3.3.5 0-720h的乳液涂层Bode谱图分析

3.3.6涂层SEM测试结果分析

3.3.7涂层EDX测试结果分析

3.4本章小结

4 结论与展望

4.1 全文结论

4.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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