水性无机富铝涂料（涂料工业最终版本）

水性无机富铝涂料

周雪松 何新华 周郁文

（1．湖北大学化学化工学院，武汉430062； 2．武汉双虎涂料有限公司，武汉430023；

3．武汉材料保护研究所，武汉430030）

[摘 要] 本文论述了水溶性硅酸盐处理片状铝粉的技术和水性无机富铝涂料制备的方法。被处理的铝粉，其表面被反应物包覆，使单个铝粉粒子完全密封，从而使铝粉变得稳定。处理后的铝粉颜料，同成膜剂硅酸盐、固化剂、成膜助剂、改性添加剂等配制成贮存稳定、性能优异的水性硅酸盐无机富铝涂料（E02-4富铝）。讨论了铝粉在硅酸钠中的反应机理和胶囊化模型。

[关键词] 富铝涂料；无机涂料；水性涂料；重防腐涂料；耐高温涂料

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Water Borne Inorganic Aluminum - Rich Coatings

Zhou Xuesong1, He Xinhua2, Zhou Yuwen3

1. Hubei University chemicalization Engineering Institute, Wuhan 430062 2. Wuhan Twin-Tigers Coatings Group Co.Ltd ., Wuhan 430023 3. Wuhan Research Institute of Materials Protection, Wuhan 430030

Abstract：This paper discusses the treatment of water-soluble silicate sheet aluminum technology and the rich aqueous inorganic aluminum coating preparation methods. Handling of aluminum, the surface was coated by the reaction, single aluminum particles completely sealed so that aluminum has become stable. After the aluminum paint, into a film with Portland, curing agent, coalescent, modified additives into preparation storage stability, high performance aqueous inorganic aluminum-rich silicate coating (E02-4 aluminum). Discussed the sodium aluminum in the reaction mechanism and capsule model.

Key Words：Aluminum-Rich Coatings; Inorganic coatings; Waterborne coatings; Heavy-duty coatings; High temperature coatings

0 引 言

当今环保法规的压力及公众的关注均不断的增加，提供环境友好型涂料，是当今世界涂料工业的发展方向。

具有金属效果的E02-4富铝，由于它优异的耐老化性、重防腐性、有机溶剂零排放，受到广大用户的欢迎。

未经处理的铝粉，在NaOH，H2O介质中会发生下列反应：

１

2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑

2Al+2NaOH+6H2O→2Na Al(OH)4+3H2↑ 可溶性硅酸盐是SiO2、MOH、H2O的混合物（M=Li、K、Na），所以未经处理的铝粉在可溶性硅酸盐中是不稳定的。用未经处理的铝粉配制成的E02-4富铝在罐中将产生大量气体把罐盖鼓开，使E02-4富铝无法贮存。

为了解决铝粉的“发气”问题，具有关文献报导[1]，主要有三种处理方法：

A、添加剂技术

将铝粉用有机磷化合物进行稳定处理，磷和铝有很高亲和力，并在铝粉表面局部形成化学键，从而阻止铝粉同腐蚀剂作用。

B、包覆技术

铝粉表面用三价Cr3+或SiO2包覆，使铝粉表面与腐蚀介质隔离而不发生反应。

C、双重包覆

首先用SiO2包覆，再加有机层包覆，由于铝粉表面经双重包覆，呈现出极优异的稳定性。 通过研究表明，用硅酸钠处理铝粉，使铝粉表面包覆反应沉积物，该沉积物可使铝粉表面与腐蚀介质隔离而达到稳定的效果。这种方法简单易行适合工业大量生产。本文将就铝粉的处理，涂料制备、涂膜的性能全面作一介绍。

漆膜耐热震性（按ISO2747-73进行）：将涂有耐温涂层之试片，在拟定的温度（如500℃）下，烘烤拟定的时间（如4h）后，从炉中拿出，马上淋水淬火。观察漆膜破坏情况，若除边角外无任何破坏为合格。

阴极保护性（按美军标准DOD-P-24G48-85进行）：在150×100mm 试片中间，直径40mm处留出空白，不涂涂料，余下面积涂满阳极保护涂层，在人造海水中浸泡7天，空白处基本无锈蚀即为合格。

1 实验部分

1.1. 主要原材料

片状铝粉：济南雅思达化工发展有限公司生产、武汉宝谦化工销售；硅酸钠（M=3.2）：市售工业品；硅酸锂（M=2.4）：江苏省江阴市国联化工；硅丙乳胶：佛山市顺德区巴德富实业有限公司（简称巴德富）；乙二醇：工业品；三乙烯四胺：化学纯；润湿剂C0-630：巴德富产品；消泡剂DF-681F：巴德富产品；表面活性剂KD-07自配。

1.2. E02-4富铝涂料检测标准 1.2.1. 漆料（甲组）发气量的测定

将1000ml铝粉漆料盛入一个特定容器中（图1），测定在40℃温度下，经30d后气体发生量，H2≤2ml为合格。 1.2.2. 漆膜性能测试

漆膜生锈、起泡、剥落等级评定，均按国家标准规定进行。

２

图1 水性无机富铝涂料氢气产生量测定装置 Fig.1 Hydrogen production of Water Borne Inorganic Aluminum-Rich Coatings measurement device

1.3. E02-4富铝涂料的制备 1.3.1. 铝粉的表面处理（配方见表1）

将表1所列原材料，按比例装入配有搅拌的三角烧瓶中，高速搅拌1-1.5h，视漆料逐渐变稠并成糊状为终点（备用）

1.3.2. E02-4富铝甲组的制备（配方见表2） 将表2所列原材料，按比例混合搅拌均匀，即

为E02-4富铝的甲组（备用）。

表1 铝粉处理配方

Table 1. formula of aluminum flake treatment 原材料名称 硅酸钠 水（自来水） 片状铝粉

表面活性剂KD-07

质量份/份 30.3 30.3 37.8 1.6

1.4 试样制备 1.4.1. 甲、乙组的配制

按甲 : 乙=3:1的比例混合并搅拌均匀，如果太稠，可加入少量水稀释至合适的粘度。 1.4.2. 试片处理

试片用A3钢板，要除净油污，少许锈蚀也可带锈施工。但为了试片表面一致，便于性能比较，本试验试片均用砂纸打磨达到国家标准ST3级。

1.4.3. 试片的施工

采用喷、刷、磙均可，涂2-3道，使膜厚达到50-60μm为宜，成膜温度5-40℃，做好的试片在室温放置7d后再投入性能测试。

表2 水性无机富铝涂料甲组配方 Table 2. formula of the Water Borne Inorganic

Aluminum-Rich Coatings part A 原材料名称 处理铝浆 硅酸锂 硅酸钠 水（自来水）

20%消泡剂（DT-681F） 乙二醇

1.6%聚丙烯酸钠

质量份/份 62.4 23.6 4.7 4.7 1.0 2.6 1.0

2 结果与讨论

2.1. E02－4富铝涂料性能指标（见表4） 表4 E02-4水性无机富铝涂料性能指标 Table 4. properties of E02－4 Water Borne Inorganic Aluminum-Rich Coatings

检 验 项 目 漆膜颜色及外观 粘度（涂-4）S 表干时间/h 实干时间/h

附着力（划格法）/级 储存稳定性

（密封塑桶6个月） 柔韧性/mm

1 50 耐 耐

GB/T 1731-1993 GB/T 1732-1993 GB/T 1734-1993 GB/T 1734-1993 ISO 2747-73 GB/T 1733-1993 GB/T 1730-1993

指 标 银白平整 40-60 2 24 0 稳定

标准 GB 1729-79 GB/T 1723-1993 GB/T 1728-1989

GB/T 9286-1998 GB6753.3-1986

1.3.3. E02-4富铝乙组的制备（配方见表3）

首先将三乙烯四胺按比例溶于水中，再按比例加入硼酸，搅拌至完全溶解后再按比例加入硅丙乳胶和20%的润湿剂并搅拌均匀。即为E02-4富铝乙组（备用）。

表3 水性无机富铝涂料乙组配方 Table 3. formula of the Water Borne Inorganic

Aluminum-Rich Coatings part B 原材料名称 水（自来水） 三乙烯四胺 硼酸 50％硅丙乳液 20%润湿剂

质量份/份 13.2 2.3 1.2 66.6 16.7

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耐冲击性/cm

耐汽油性（200#30d） 耐二甲苯性（30d）

耐热振性（500℃×4h） 膜稍变暗 耐沸水性（乙法）/48h 硬度（摆杆）

膜稍变暗 0.65

检 验 项 目 *阴极保护性 （人造海水，7d） *耐盐雾性(21d) 耐盐水性 （3%NaCl，30d）

指 标 合格

标准

DOD-P-24G48-85

铝硅酸钠微粒而脱离铝粉表面。这种微粒脱水后以Na2CO3·Al2O3·SiO2形式存在并作为填料存在于无机富铝涂料的漆膜中。胶囊化模型如图2

耐 耐

CTB/T1771-1991 GB/T 1763-1989

所示：

漆料甲组发气量（ml） 1.5 自测

*漆膜以硅酸盐无机富锌E06-2（武汉材保所生产）做底两道，与E02-4富铝（自制）作面2道，膜厚100－120μm。其它试片均是单一E02-4富铝，膜厚50－60μm。

2.2. 铝粉包覆层的探讨

当铝粉加入到硅酸钠（Na2O·n SiO2·mH2O）溶液中，氢氧化钠同铝粉表面的铝产生反应，并生成以Al(OH)-4形式存在于溶液中。在硅酸钠溶液中硅也是以SiO2(OH)22-的形式存在，该两种离子反应最后形成水合铝硅酸钠(Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O)。它的生成机理为五配位中间体形成机理：

[2]

图2 水性无机富铝涂料的胶囊化模型 Fig.2 Water Borne Inorganic Aluminum-Rich Coatings Capsule Model

2.3. 铝粉质量指标对水性无机富铝涂料影响

通过对不同技术指标铝粉的研究试验，确定粒度在30-40μm的片状铝粉较好。粒度太细的

铝粉反应后浓度太稠，在同一粘度下固含低，不

根据吸附层媒介作用机理[3]，首先是表面活性剂（KD-07）对铝粉表面的吸附作用，使其表面包覆一层有机吸附层。由于表面活性剂量少，不可能完全覆盖铝粉表面，致使硅酸钠有机会同铝粉表面反应，生成Si-O-Al 离子，并吸附在表面活性剂的外层。当Si-O-Al 离子生成的数量足以使铝粒严密包覆并形成胶囊化浮粒（漆料变成糊状）时，硅酸钠被隔离在胶囊外面，而不能同铝粉作用，从而使E02-4富铝漆料储存稳定。

当E02-4富铝施工后，由水份和助剂的蒸发，铝粉表面的胶囊就会从其表面解析，并形成水合

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能配成富铝（要求固含中铝粉在60%以上）。

另外，片状铝粉不仅可以反射阳光和紫外线，增强涂层的耐候性。而且利用片状铝粉平行搭接的物理性能，可显著提高涂层的屏蔽性，从而进一步提高涂层的抗蚀性，延长涂层的使用寿命。因此粒度大的片状铝粉比粒度小的铝粉其搭桥效果会更好。

以前，同无机富铝配套的面漆，只能用防腐性能较好的环氧，聚氨酯，氯化橡胶等有机涂层。从以往的盐雾试验的结果看，虽然无机富锌底层完好，但有机涂层提前破坏剥离。

2.4. 固化剂对水性无机富铝涂料的影响

由于户外施工的原因，要求涂膜表干2h后就固化耐雨淋。硅酸锂虽然可以自固化，但为了改善漆膜的柔韧性，而加入硅酸钠，硅酸钠不能自固，需加固化剂固化。据文献报导

[4-6]

3 结语

（1）片状铝粉用Na2SiO3处理，对铝粉有很好的包覆效果，发气量甚微，通过6个月的贮存非常稳定。

（2）E02-4富铝涂层，有很好的防腐性、耐候性、耐久性，适用于重防腐环境，可作为水性无机富锌配套面漆。

（3）E02-4富铝涂料耐热振性（500℃×4h）良好，漆膜颜色及外观银白平整，也可单独作为500℃以下防腐耐温涂料使用。

用作硅

酸盐的固化剂较多，我们选择多种固化剂作了固化性能试验（试验结果见表5）。表5结果表明用KD-1固化效果最好。

表5 不同固化剂对水性无机富铝涂料漆膜影响 Table 5 Different curing agent on the impact of Water

Borne

Inorganic

Aluminum-Rich

Coating’s film

编号 1 2 3 4 5 6 7 8

硼酸 尿素 三乙烯四胺 氧化锌 碳酸铅 磷酸锌 氟硅酸钠 KD-1 固化剂种类

漆料与漆膜性能

漆膜表干2h后，浸水2h

参考文献

[1]费雅思博士Dr、Andrea Fetz.应用于水性涂

料的铝颜料[J].中国涂料工业,2004,(11):16-19.

[2]刘桂华,李小斌,等.浓碱高苛性比铝酸钠溶

液中水合铝硅酸钠形成的动力学研究[J].高等学校化学学报,1999,(8):1262-1265.

[3]刘国杰 现代涂料工艺新技术[M].中国轻工

业出版社,2000.

[4] H·瓦尔森,C.A·芬奇.合成聚合物乳液的应

用[M].化学工业出版社,2004.

[5]战风昌,等.专用涂料[M].化学工业出版

社,1993:136-143.

[6]中国石油天然气总公司工程技术研究院.自

固化无机富锌涂层的蜂窝管:中国， 99244719.4[P].2000-7-12.

漆液增稠，漆膜粗糙 耐 漆液较好，漆膜平整 轻微溶解 漆液较好，漆膜平整 耐 漆液较好，漆膜发暗 溶解 漆液增稠，漆膜不均 较耐 漆液增稠，漆膜发花 耐 漆液较好，漆膜平整 溶解 漆液较好，漆膜平整 耐

注：1. 上述固化剂均为市售试剂

2. 固化剂乙组配制（质量份/份）：50％硅丙乳液

66.6，20%润湿剂16.7，水11.7，1－7号固化剂分别为5。固化剂KD-1的配制见表3。 3. E02-4（甲组）：固化剂（乙组）＝ 3：1

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