摘要： 简要介绍了水性涂料在船舶涂装领域的应用及意义。通过对水性环氧树脂主剂和固化剂的筛选，以及选择性能优异的防锈颜料，改善施工性和防锈性。
关键词：水性涂料，船舶涂装，配方设计，环境保护
随着近年来国际标准对环境保护、人员健康的重视程度不断提高，尤其是近年来对溶剂型涂料的VOC含量要求的大幅度下降，环保型涂料的发展正在进入快车道，其中以高固体、无溶剂和水性化作为其中最主流的几个发展方向，得到更广泛的关注和研发投入，涂料水性化是其中的主要发展方向。涂料发展从有毒到低毒，从低毒到环保，已经有了质的飞跃。近几年在在船舶涂装领域，对涂装的重视也逐渐从单一追求涂装质量和效率，逐渐向更环保、更健康的方向发展，这种进步突出了涂料企业对施工人员、对环境等社会责任的重视，也使自己的产品具有更高的经济附加值，提升市场竞争力。船舶涂料的水性化是造船业为了实现环保要求，提升产品技术附加值，同时保护施工人员的自身健康等因素出发而设计的产品。本文主要介绍水性涂料在船舶涂装中的意义，简要介绍环氧水性涂料的研发，以及在船舶舱室的施工中针对水性环氧涂料的一些特性，在配方中所做的改进及其效果。
一、水性涂料的意义：
水性涂料以水作溶剂，节省大量资源；水性涂料消除了施工时火灾危险性；降低了对大气污染；水性涂料仅采用少量低毒性醇醚类有机溶剂，改善了作业环境。一般的水性涂料有机溶剂（占涂料）在10%～15%之间，对降低污染节省资源效果显著。
水性涂料目前在集装箱行业已经率先有比较大范围的使用，相对于密闭空间、可调节施工节奏和温度、湿度等外部条件的集装箱施工，船舶的涂装施工难度无疑要大得多，因此船舶涂料的水性化需要紧密结合船舶特有的施工节奏、习惯等特性。
水性涂料在船舶涂装领域的应用，国际上曾经有一些先例，但是由于水性涂料本身的特性，如蒸发潜热高，干燥条件相对苛刻等，涂装效果差强人意，这也表明船舶用水性涂料的配方设计还不是非常完善。目前，中远关西涂料化工有限公司在船舶水性化的领域率先破冰，在船舶用水性环氧涂料上进行了大胆的改进。
中远关西在水性涂料的研发上一直保持着国际领先的技术水平，这得益于其在集装箱防腐涂装上的高技术投入。近年来，中远关西陆续成功研制系列水性涂料，在集装箱涂装上去的突破性成就，同时，公司致力于在船舶涂料方面的水性化，契合国际船舶涂装行业的环保化趋势。在上海外高桥、沪东、广州黄埔船厂等大型船舶制造企业，已经有对船舶涂装水性化的需求，并进行过尝试，但是由于水性涂料本身在性能、施工上还存在一些问题，推广上还具有很大空间。
二、水性环氧涂料的配方设计
环氧涂料作为目前应用最广泛的重防腐涂料，其配方设计、产品施工等的经验都最为丰富，对该系列产品水性化的研究也开始的很早，中远关西的环氧水性产品在包括集装箱、储罐、机械设备上都有成功应用。双组分水性环氧涂料的成膜机理不同于一般聚合物乳液涂料，也不同于溶剂型环氧树脂。其成膜过程既有物理过程，也有化学过程，取决于分散相的粒径、分散相环氧颗粒的粘度和玻璃化温度，以及固化剂和环氧树脂的相容性。环氧树脂结构中含有脂肪族羟基、醚键和活泼性环氧基团，羟基和醚键具有极性，分子可与相邻界面之间的游离键反应，形成比较牢固的化学键，使漆膜不仅具有优良的物理机械性能，同时与被涂表面的附着力好，最突出的是它对金属的附着力强；同时，由于含有苯环和醚键，结构稠密，使漆膜的耐化学药品性和耐油性也很好，特别是耐碱性非常好，这使得环氧树脂本身具有防锈功能，同时通过选择高性能的防锈颜料，因此，制备出的双组分水性环氧金属防腐蚀涂料防锈效果和抗化学腐蚀性均能达到在船舶使用的重防腐环境下，应对海洋气候所需要的防腐性能。
船用水性环氧漆，首先要满足船舶使用中防腐的要求，其次有良好的施工性，以水性环氧底漆30主剂(EPOSAFE PRIMER 30 BASE)为例，实验配方如下表1：
表1：水性环氧涂料配套
原料名称 | 配比 |
蒸馏水 | 适量 |
水性环氧树脂 | 7.06 |
消泡剂 BYK-019 | 0.30 |
消泡剂 BYK-024 | 0.20 |
BYK-154 | 0.20 |
三聚磷酸铝 | 10~20 |
沉淀硫酸钡 | 28.00 |
氧化铁红 | 20~30 |
15%亚硝酸钠水溶液 | 1.00 |
成膜助剂 | 1.50 |
水性环氧固化剂 | 20~30 |
其中采用了高性能的水性环氧树脂和水性环氧固化剂，并根据船舶涂装特有的生产节奏和施工环境等，采用适当的助剂对涂料的理化性能进行完善。由于双组份水性环氧涂料的非均相性，水相中的固化剂向环氧树脂乳胶粒中的扩散对固话成膜的作用至关重要，本配方采用的美国氰特公司水性环氧树脂EP系列，具有比较适宜的环氧树脂乳胶粒大小，同时在和固化剂反应的扩散速率，反应进程方面都做了很好的改进。水性环氧漆所选择的防锈颜料，也考虑了水性涂料本身防锈性能较弱的特点，如，氧化铁红是一种具有良好的化学惰性的功能性颜料，在涂层中呈鳞片状排列，使腐蚀介质到达底材的扩散变得非常困难。三聚磷酸铝是一种白色粉末，微溶于水，不挥发，三聚磷酸根离子能与底材的金属离子有更强的螯合力，在被涂物表面形成卓越的钝化膜。这些防锈颜料的选择强化了环氧涂料的防腐性能。
水性漆的制备：将蒸馏水加入设备容器，将高速分散机转速调至300r/min，在搅拌下一次加入。按照配方中的量，在水中加入润湿剂、分散剂，然后加入防锈颜料及填料，在高剪切力作用下砂磨分散30分钟，使细度小于50um，然后加入到水性环氧树脂中，充分混合，再加入消泡剂、流平剂、PH调节剂和增稠流变剂等其他助剂，中低速搅拌，充分混合均匀，即制备得水性金属防腐蚀涂料。
（1）水性环氧树脂的固化
水性环氧树脂的固化过程
采用傅里叶变换红外谱仪，将涂有试样的膜片在恒温恒湿的环境下进行扫描，水性环氧树脂的固化进行了红外表征。图1显示的是水性环氧树脂的红外光谱图，图2显示的是水性环氧树脂固化剂的红外光谱图。
图1：水性环氧乳液树脂 EP385 氰特
图2：水性环氧树脂固化剂A419 气体化学
由于水性涂料以水作为稀释剂，水的表面张力为72.6dyn/cm，要比一般有机溶剂大，是涂料常用有机溶剂的2.5倍，因而难以浸润底材，易产生缩孔，配方中采用氰特的水性环氧树脂以及气体化学的助剂，很好的解决了水性涂料润湿分散性差，而且对施工条件要求比较苛刻的问题，同时采用防锈颜料、基材润湿剂、润湿分散剂、消泡剂、钛白粉等，使配方保持了面漆的均一流平和外观，同时避免水性涂料对底材容易产生闪锈的问题。
上述涂料制备后，可测得涂料基本理化性能如下，见表2：
序号 | 实 验 项 目 | 实验结果 | 产品规格 |
要求条件 | |||
03 | 固体份 （%） | 71.5 | 71.5±2.0 |
04 | 比重 | 1.94 | 1.94±0.05 |
05 | 细度 （μ） | 40 | ≤50 |
以下项目B+H混合检验 | |||
06 | 涂膜外观 | 平整无异常 | 平整无异常 |
07 | 厚涂性 （μ） | 500 | ≥300 |
08 | 颜色 | 铁红色 | 铁红色 |
09 | 附着力 （级） | 0 | ≤2 |
10 | 柔韧性 （mm） | 2 | ≤3 |
11 | 冲击强度 （kg*cm） | 50 | 40 |
12 | 表干时间 （h） | 1 | ≤8 |
13 | 实干时间 （h） | 12 | ≤24 |
14 | 耐磨性 500g/500转失重 （g） | 0.032 | ≤0.100 |
15 | 活化期 （h） | 5 | ≥4 |
16 | 耐盐雾性 （400h） | 1 | ≤2 |
该结果符合实验设计目的，对比同类型环氧漆，具有良好的防腐性和施工性。
三、水性环氧涂料的施工
在船舶的舱室施工中，传统的溶剂型涂料施工一直存在比较大的弊端，对于居住舱室、机舱等部位，空间狭小，根据各船厂的自身条件不同、施工水平差异等，对舱室施工时，经常存在通风设施差，操作忙点多等问题，施工中又经常有交叉作业的情况，容易发生火灾和中毒等事故，另外在一些舱室采用绝缘包覆施工中，绝缘隔热材料和包覆材料多为多孔性，吸附大量施工中逸散的涂料和溶剂，造成舱室除味困难，影响之后船舶操作人员的健康。水性涂料的使用能够比较好的减轻这种状况，同时容许交叉作业，提高造船效率。
但是水性涂料的干燥条件比油性涂料要更严格，如对环境温度、空气湿度的要求等。由于水的蒸发潜热比溶剂高很多，水的蒸发潜热为2457.22kJ/kg，而涂装常用溶剂的蒸发潜热：二甲苯为343.2kJ/kg，丁醇为590.2kJ/kg，酮类为343～444kJ/kg，都要比水低得多，因此对于水性涂料的施工来说，环境温度要求比较严格，在5℃以下，水性涂料施工停止。
中远关西为船舶涂料提供防腐保护已经超过20年，对船舶施工节奏和施工特点非常熟悉，因此在开发船舶用水性涂料的过程中，考虑了双方的特点，在研发的新产品中加入干燥促进剂，如美国氰特公司的EP 384W/53WAMP，为水性环氧涂料增强初期干燥性能和与金属、混凝土基材的附着力，为在船坞、船台等露天环境的施工创造条件，经验证，产品可在5度以上露天环境中使用，并对相对湿度有比较高的耐受范围。在旅顺4810船厂的工程船施工中，上层建筑内部采用水性环氧产品，干燥性能良好。
参考文献：
1、双组份水性涂料固化成膜机理探讨----周立新，杨卓如等
2、水性防腐涂料在船舶涂装中的应用—刘宇
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