水性防静电地坪底漆的设计与性能研究
0 引言
在纺织厂、电子厂、石油化工生产车间等，许多介质具有易燃易爆的性质，这些物体之间摩擦，使得某种对电子束缚较低的物体中的电子转移到另外一种对电子束缚较高的物体上，造成两种物体所带正电荷与负电荷数量不同而带电，称为“静电”。当这些电荷无法及时释放，积聚到一定程度时就会发生火花放电现象，这种现象与生产生活密切相连，往往会带来一些不便或危害，如引起火灾或爆炸，对生命财产造成损失。
防静电地坪底漆是一种功能型地面材料，它可将地面上的静电导入到地下，快速消除地面上的静电电荷，有效消除由于静电积累和电磁干扰所带来的危害。与配套的面漆一起使用涂装而成的防静电地坪涂装体系，其抗静电效果好，不会受到时间、相对湿度、温度等影响，同时该地坪体系整体无缝，还具有防尘、耐磨、耐冲击、耐重压、耐腐蚀、耐溶剂等优良性能。防静电地坪涂装体系不仅具有诸多优良的物理化学性能，而且外观上平整亮丽、色彩丰富，易于清洁打理和维护修养，因此它成为了诸多厂房车间地面装饰和保护材料的必选。
在国家生态文明政策下，相关部门和政府出台了一系列政策推动涂料行业的环保化发展。从生态环境部印发的《重点行业挥发性有机物综合治理方案》可以看出，使用水性、粉末、高固体分、无溶剂、辐射固化、植物基等低VOCs含量的涂料替代溶剂型涂料成为涂料领域的发展趋势。另外，强制性国家标准《室内地坪涂料中有害物质限量》对地坪涂料中挥发性有机物含量和可溶性重金属等提出限定要求，因此，水性防静电地坪底漆的开发与应用的研究是目前防静电地坪漆的重点研究方向。
1 实验部分
1.1 实验原料
106固化剂：柏卡森化学；128树脂：南亚；AGE：新远；BYK-190：毕克；760W：赢创；W138：普为；DF1901：普为；Printex XE2：乙博瑞；Printex L6：金大地；Printex L：正宁；Printex 40B2：德固赛。以上均为工业级。
1.2 仪器设备
实验所用到的主要仪器设备和生产厂家如表1所示。
1.3 水性防静电地坪底漆配方
水性防静电地坪底漆配方如表2所示。
1.4 制备工艺
106固化剂是一种水稀释型胺类环氧固化剂，首先加水稀释，之后加入润湿剂、分散剂和消泡剂，在保持分散的条件下缓慢加入导电填料，高速分散均匀后研磨，细度<40μm制成A组分。
选择合适的活性稀释剂与环氧树脂混合，调整至合适的黏度，制成B组分。
1.5 性能测试
1.5.1 干燥时间
根据GB/T 1728—1979《漆膜、腻子干燥时间测定法》测试漆膜干燥时间。
1.5.2 漆膜附着力
根据GB/T 1720—2020《漆膜划圈实验》测试漆膜附着力。
1.5.3 拉伸粘接强度
根据GB/T 22374—2018《地坪涂装材料》测试拉伸粘接强度。
1.5.4 柔韧性
根据GB/T 6742—2007《色漆和清漆弯曲实验（圆柱轴）》测试柔韧性。
1.5.5 容器中状态和漆膜外观
根据GB/T 22374—2018《地坪涂装材料》评定容器中的状态和漆膜外观。
1.5.6 表面电阻
根据GB/T 22374—2018《地坪涂装材料》评定漆膜的表面电阻。
2 结果与讨论
2.1 导电介质的选择及添加量对涂料导电性能的影响
导电介质的添加是使得地坪涂料具有防静电性能的关键，因此导电介质的选择和添加量至关重要。导电介质可分为银粉、铜粉等金属导电介质；氧化铝、氧化锌等金属氧化物导电介质；石墨、炭黑等碳系导电物质。在本配方中选用炭黑，一方面是炭黑之间彼此接触形成三维立体网状结构使得电子可以在电场中穿越聚合物薄层而具有较好的导电效应；另一方面是其价格较低，有利于大规模生产成本的降低。
导电填料的种类、形状、粒径大小、添加比例、分散程度等都是影响最终导电涂层性能的重要因素。就导电填料的粒径而言，粒径不能太大也不能太小，导电填料粒子的粒径过大，一方面受自身重力的影响易沉降，另一方面填料粒子之间的孔隙较大，不易形成导电的三维立体网格结构。导电填料粒子的粒径过小，导电粒子之间易发生聚集，且粒径越小聚集倾向越大，使得孔隙增大，不利于导电填料之间的紧密接触，降低其导电性能。本实验中选用了不同类型的导电炭黑研究其在保持基础配方含量而其他条件不变的基础上，炭黑类型对涂料导电性能的影响。
本实验中选取4种类型的导电炭黑，分别是Printex XE2、Printex L6、Printex L和Printex 40B2，这4种导电炭黑，采用不同的添加量测试其表面电阻，数据见表3。
由表3可以看出，随着导电炭黑添加量的增加，涂层的表面电阻随之下降，Printex XE2、Printex L6、Printex L和Printex 40B2四者的导电性能中，添加Printex XE2的导电性能表现最好；Printex L6、Printex40B2的导电性能相近，Printex L的导电性能较差，在添加量为20%时，其电阻值仍然有7×1014Ω，因此在接下来的实验中选用Printex XE2作为导电填料进行后续研究。
掺合型导电涂料的导电性能取决于基料与导电填料的配比。导电填料的加入不仅可以赋予涂膜导电性能，还可以减少环氧树脂固化时的体积收缩，提高涂层的耐磨性。一般而言，随着导电填料添加量的增加，其导电性能增加，但是，若导电填料所用的比例过大，对涂层的导电性能促进作用趋于稳定的同时，反而会降低涂层的物理机械等性能。
由表4可以看出，当导电炭黑含量在0～30%之间，随着导电炭黑含量的增加，涂料的表面电阻逐渐降低，含量在5%～10%，其表面电阻迅速下降，降低了8个数量级，在含量25%和30%时，达到最低值，之后随着导电炭黑含量的增加，其表面电阻略有增加。这是由于导电涂层中导电填料粒子的直接接触和粒子之间的隧道效应综合作用的结果。当导电炭黑的含量在5%以下时，导电炭黑粒子之间的间隙较大，形成链状导电通道的几率较小，随着导电炭黑含量的增加，涂层中的导电填料粒子彼此接触或导电填料粒子之间绝缘高聚物的厚度足够小，形成了导电立体网络结构，产生大量的电子跃迁，使得表面电阻迅速下降。但是当导电炭黑的添加量达到渗流临界值后[9]，继续添加导电炭黑，涂层的电阻趋于稳定，反而会由于粉体添加量的增大而降低涂层的力学性能。
针对不同的炭黑添加量对涂膜粘接强度的影响进行了测试，在导电炭黑的含量为0时，其粘接强度为4.0MPa，随着导电炭黑含量的增加，其粘接强度降低，这是由于导电炭黑含量增加意味着环氧树脂的含量降低，颜基比增大，导致涂层的粘接强度降低。经实验对比分析，得出导电炭黑的添加量在15%～25%左右为宜，结合成本考虑，以导电炭黑添加量15%为基础进行以下各组实验。
2.2 助剂对导电涂料性能的影响
防静电地坪底漆不仅需要优异的导电性能，同时需要满足一般涂料的各种性能，如良好的贮存稳定性、特别是对于基材的附着力，因此合理优选消泡剂、润湿剂和分散剂等助剂可以对导电涂料的性能产生重要的促进作用。分散剂的加入可以提高粒子表面与介质间的亲和性，产生空间位阻在颗粒表面形成完整覆盖层从而防止粒子间团聚沉降，使粒子在介质中易于分散均匀；涂层中气泡的存在对涂层的物理化学性能有着重要的影响，消泡剂的加入可以减少和消除涂料在生产和施工过程中产生的气泡，便于施工且有助于实现最终涂层的平整性和导电性；润湿剂可以保持颜填料更好地分散、稳定存在。其他的助剂如流平助剂等也会相应提高导电涂料的性能[10]。
2.2.1 消泡剂的选择
由于106固化剂是一种改性胺类自乳化型环氧固化剂，会降低粒子间的表面张力从而使空气易于进入涂料体系中；防静电底漆的生产和施工中的机械分散也不可避免地使空气进入；加入润湿剂之类的表面活性剂也易造成气泡的产生和稳定，因此，在涂料制备中要加入消泡剂，一般在分散前加入从而减少气泡的形成。
本实验选用了3种消泡剂，按照表1的配比制得底漆，并测试不同消泡剂对防静电底漆导电性能的影响。见表5。
根据测试结果，3种消泡剂基本都可满足底漆的防静电要求。使用普为的DF190制备的防静电底漆其表面电阻最低。
2.2.2 润湿剂的选择
润湿剂是表面活性剂，能降低固体与液体间的界面张力，使固体表面更易于被液体润湿。对于水性涂料来说，水的表面张力有0.72×10-3N/cm，其表面张力大于基材的表面张力[11]。因此，必须要加入润湿剂降低水性涂料的表面张力，才能在基材上很好地润湿和铺展。加入润湿剂后，在室温下可将水溶液的表面张力从0.72×10-3N/cm降至0.4×10-3N/cm以下，微观上，润湿剂可促进颜料的可润湿性，使分散剂易于在颜料表面铺展而结合，形成锚固关系。
本实验中选用了3种润湿剂，按照表1的配比制得底漆，并测试不同润湿剂对防静电底漆导电性能的影响。见表6。
根据测试结果，3种润湿剂基本都可满足底漆的防静电要求，使用普为的W138制备的防静电底漆其表面电阻最低。
2.2.3 分散剂的选择
导电炭黑的比表面积大，吸油量高，不易分散，即使分散均匀后也易重新聚集的絮凝现象，一旦发生絮凝，涂装时底材就不能被均匀的遮盖，从而影响涂层的导电性能。因此选择优异的分散剂能够有效避免涂料在贮存过程中炭黑发生絮凝、返粗、沉淀等问题，确保涂层均匀一致，保证涂层体系的电阻符合防静电底漆的要求。
本实验选用了3种分散剂，按照表1的配比制得底漆，并测试不同分散剂对防静电底漆导电性能的影响。见表7。
根据测试结果，3种分散剂基本都可满足底漆的防静电要求，使用迪高的760W制备的防静电底漆其表面电阻最低。
2.4 分散程度对涂料导电性能的影响
对于掺和型的导电涂料，导电性能与导电填料在涂料体系中的分散状态密切相关。若导电填料的分散程度不够，则导电涂膜的导电性能很低；如果分散过度，使得导电填料颗粒完全被绝缘性的聚合物包覆，相互隔离，则涂膜不会具有导电性能。只有分散程度适当，使涂料体系中的导电粒子之间形成良好的空间立体网格结构，涂膜才具有导电性，根据实验结果，当混合体系分散至细度在30～80μm时，涂膜具有良好的导电性。
2.5 涂刷层数对涂料导电性能的影响
导电涂料漆膜越薄，越不均匀，导电填料形成导电网络的几率越小,涂层越厚，涂刷层数多，越均匀，形成导电网络的几率就越大。在表1所列配方基础上,不改变其组分,为了方便研究，采用只改变滚涂的遍数，测试不同涂刷层数的表面电阻，从而确定涂刷层数对导电性能的影响。见表8。
随着涂刷层数增多，导电涂层的导电性能得到提高，这是因为涂层越多，导电粒子更容易形成连续的网状结构，但当涂层达到3层时，涂层的导电性能基本达到稳定状态，因此，在底漆的涂刷中，涂刷2～3层即可。
3 水性防静电地坪底漆性能测试
根据上述实验，确定了导电炭黑、消泡剂、润湿剂、分散剂的选用及涂膜层数，水性防静电地坪底漆所检项目结果及技术指标如表9所示。
与目前市场上所售的同类型产品相比，该水性环氧防静电底漆为水稀释型涂料，可加水至20%～30%，用量低、导电性好。贮存状态稳定，炭黑不沉淀、无分层，体系均匀，并且在长时间高速搅拌过程中不会出现破乳等现象。与面漆适应性良好，批刮防静电自流平面漆时不会出现划痕和起皮现象，搭配使用可形成稳定的防静电体系，效果优异。
4 结语
本文通过实验研究，得出了以下结论：
(1)4种导电炭黑Printex XE2、Printex L6、Printex L和Printex 40B2的导电性能比较结果显示，添加Printex XE2的导电性能表现最好。随着导电炭黑添加量的提高，底漆的导电性能呈现先降低后略有增加的趋势，其粘接强度呈现逐渐降低的趋势，综合导电性能、粘接强度和成本因素，以导电炭黑添加量15%为宜；
(2）消泡剂、润湿剂、分散剂的性质和作用对涂层的导电性能有一定的影响，在本实验范围内，消泡剂、润湿剂、分散剂依次选择普为的DF190、W138、迪高760W制成的底漆其导电性能表现最好；
(3）在涂料分散中，当混合体系分散至细度在30-80μm时，涂膜具有良好的导电性；
(4）涂刷层数对涂膜的导电性能有一定的影响，当涂层达到3层时，涂料的导电性能基本达到饱和状态，底漆涂刷2～3层即可。
水性环氧防静电地坪底漆采用水作为分散剂，不仅能够有效地防止静电聚集，将外来物体带来的聚集的静电通过传导耗散来释放，具有防止静电火花的功能，而且不含甲苯、二甲苯等有机溶剂，无毒无异味，绿色环保，符合当前生态文明指导下，推动绿色建材发展的理念。但是水性环氧防静电地坪底漆一方面对施工过程中及材质表面清洁度要求高，因水的表面张力大，污物易使涂膜产生缩孔；另一方面其防腐能力较差，易腐蚀开裂导致导电性能失效，因此研制具有低表面能水性环氧防静电地坪底漆，使其具有良好的附着力、耐腐蚀和导电性能，成为未来水性环氧防静电地坪底漆的主要研究方向。