一、水性環氧涂料的特點
水性環氧涂料主要溶劑為水，其特點如下所述。
①省資源、低污染水性環氧涂料以水代替有機溶劑。水的來源廣泛，可節省大量資源，在生產、運輸、涂裝過程中，基本上無污染物產生、無火災危險，因而有益于保護生態環境。
②被涂物件表面經除油、除銹、磷化處理后，不必完全干燥即可涂裝。當采用電沉積施工時，對被涂物件表面處理有更嚴格的要求。施工設備、工具均可用水清洗。
③電泳涂料采用自動化電沉積施工法，涂裝效率高于噴、刷、淋、浸等施工方法，涂裝質量穩定、產生弊病較少；其他水性環氧涂料可采用噴、刷、浸等施工方法。
④水性環氧涂料中有大量的親水基團，應著力改進涂膜的耐蝕性。對于室溫干燥的水性環氧涂料，應采取有效措施，保證在規定時間內釋放出涂膜內的水。這是水性環氧涂料配方設計、生產和涂裝過程中值得關注的課題。
二、水溶性環氧涂料的配方設計
水溶性環氧涂料采用陰離子型樹脂和陽離子型樹脂做基料，陰離子型樹脂用于陽極電泳涂料，陽離子型樹脂用于陰極電泳涂料。
1.水溶性基料的合成
（1）陰離子型樹脂環氧樹脂在水性涂料中得到廣泛應用。大多數環氧樹脂都不溶于水，應將其制成水溶性環氧聚合物。使環氧樹脂水溶的最常見方法是，先將環氧樹脂與不飽和脂肪酸酯化反應制成環氧酯；然后用α，β-乙烯型不飽和二元酸（或酐）與環氧酯分子中的雙鍵加成反應引進羧基；最后經胺（堿）中和成鹽得到水溶性聚合物——陰離子型樹脂：
 制備陰離子型樹脂時，一般選用羥基含量較高的環氧樹脂作為骨架結構材料。環氧樹脂與酸、酸酐反應，經胺中和后得到水溶性陰離子型樹脂：
制備水溶性陰離子型樹脂常用的環氧樹脂有E-20、E-12和E-35等。常用的脂肪酸有亞麻油酸、豆油酸、脫水蓖麻油酸等，其中亞麻油酸選用最多。常用的酸酐和羧酸有順丁烯二酸酐、反丁烯二酸和亞甲基丁二烯二酸等。
有時，利用環氧樹脂的環氧基與乳酸或二羥甲基丙酸反應，在環氧樹脂分子中引入末端羥基，然后再與琥珀酸酐或偏苯三酸酐反應，引入羧基，最后加入適量的飽和脂肪酸縮水甘油酯以改進流動性和提高槽液穩定性。
水溶性陰離子型樹脂與六甲氧基三聚氰胺等交聯劑配合，會提高涂膜的有效交聯密度（ρ）、改進耐蝕性。水溶性陰離子型樹脂分子鏈上剩余的雙鍵、羥基和羧基等活性基團與其他官能團反應，可達到改性目的。用酚醛樹脂可提高耐化學藥品性，用苯乙烯可提高硬度并增強耐電壓性及對金屬部件磷化層的適應性。利用液體環氧樹脂制備水溶性陰離子型樹脂配方見表4-1。
  （2）陽離子型樹脂制備陽離子型樹脂時，可先將環氧樹脂與部分仲胺加成，接著與部分伯胺加成，再與仲胺加成，得到環氧一胺加成物，然后用酸中和得到水溶性陽離子型樹脂。這種水溶性陽離子型樹脂中加入脂肪酸縮水甘油酯后，改進了流動性和耐化學藥品性。值得提示的是，三聚氰胺樹脂和酚醛樹脂不能使環氧一胺加成物充分交聯固化，只有在加入對甲苯磺酸等酸性化合物后，其才會呈現好的交聯固化性能。水溶性陽離子型樹脂配方見表4-2。
 取配方中陽離子型樹脂：六甲氧甲基三聚氰胺=80：20（質量）配成清漆。其性能為：在180℃/30min時固化，涂膜厚25μm，電沉積涂膜的交聯固化性和耐鹽霧性優良。
有時，可用環氧樹脂先與異氰酸酯預聚物或丙烯酸聚合物反應，得到含羥基、羧基和氨（胺）基的樹脂，形成環氧胺離子的過程如下：
 式中 A——有機聚合物骨架，它組成的環氧樹脂已與異氰酸酯或丙烯酸聚合物反應；異氰酸酯官能團脫封，與環氧一胺加成物的氨（胺）基反應形成交聯固化涂膜，其耐蝕性突出。
2.固化劑水溶性環氧涂料基料分子中常常帶有可相互反應的基團，在交聯固化成膜時起一定作用。但其也應采用水溶性固化劑，如采用三聚氰胺甲醛樹脂、苯代三聚氰胺甲醛樹脂、脲醛樹脂和異氰酸酯封閉物等。當選用六甲氧甲基三聚氰胺作固化劑時，應加入少量的對甲苯磺酸銨和磷酸氫銨等強酸弱堿鹽作固化促進劑；當選用異氰酸酯封閉物作固化劑時，應加入占基料量2%左右的固化促進劑，可保證槽液穩定性并明顯提高涂膜的有效交聯密度（ρ）、增加耐蝕性。
3.助溶劑的作用在電泳涂料中助溶劑（也稱共溶劑）的作用是增加基料在水中溶解度、調節基料黏度、提高槽液穩定性、改善流平性和涂膜外觀。
在水溶性醇類助溶劑中，碳鏈長的醇比碳鏈短的醇助溶效果好，含醚基的醇（溶纖劑）比不含醚基的醇助溶效果好。可供選擇的助溶劑有乙醇、異丙醇、正丁醇、叔丁醇、乙基溶纖劑、丁基溶纖劑和仲丁醇等。
4.對顏填料的要求水溶性涂料以水作溶劑，其基料多數為弱堿性溶液。水溶性涂料使用的顏填料與溶劑型涂料不同，尤其是電沉積涂料對顏填料要求十分嚴格。在水溶性涂料的配方設計中，所選用顏填料的品種應盡量少而精。
（1）分散性為使顏填料分散均勻，在顏填料漿中加入表面活性劑進行表面處理，然后用砂磨機、球磨機、高速攪拌機分散，經烘干、粉碎，確保復色顏填料體系有較穩定的分散性。陰離子型電沉積涂料，可選用十二烷基磺酸鈉等離子型表面活性劑。
（2）穩定性水溶性電沉積涂料選用的顏填料，必須在水中保持較高的化學穩定性。部分水解和能分解析出二價或多價金屬離子的顏填料，會導致大分子基料沉淀析出，嚴重破壞槽液穩定性。因此，水溶性電沉積涂料中可電離的組分應減少到最低限度，若鈣、鎂、鋅和鉻酸等離子超過顏填料量的1%時，將對涂料造成破壞性作用。
（3）體積分數顏填料體積分數（PVC）對電沉積涂料漆液的泳透力和涂膜防銹能力均有影響。泳透力最高時，PVC為40%～50%；涂膜防銹能力最佳時，PVC＜40%。
（4）酸堿性顏填料的酸堿性是不可忽視的問題。例如，羧酸環氧酯用胺中和得到的水溶性樹脂是偏堿性的聚合物，若選用偏酸性的顏填料，會促使水溶性涂料酸性化，引起凝聚甚至破壞。若選用紅丹、氧化鋅和鉛白等強堿性顏填料，易使基料皂化；若選用鉻酸鋅等水溶性大的顏填料，會破壞涂料的穩定性。
水溶性環氧涂料中可供選擇的顏填料有鈦白、鐵黃、鍶鈣黃、檸檬黃、鐵紅、鎘紅、酞菁藍、群青、炭黑、沉淀硫酸鋇、滑石粉、白炭黑、重體碳酸鈣和高嶺土等。
三、水乳化型環氧涂料的配方設計
1.環氧樹脂乳液環氧樹脂乳液是水乳化型環氧涂料的基料組分。由于環氧樹脂不溶于水，具有親油性，應采用合適的乳化劑將環氧樹脂乳化成環氧樹脂乳液，并保證水乳化型環氧涂料在貯存和使用時具有良好的穩定性和涂裝性，這是設計水乳化型環氧涂料的技術關鍵。
乳化劑屬于表面活性劑，其分子中含有親水（或疏油）的極性基團和親油（或憎水）的非極性基團。乳化劑可分為離子型乳化劑和非離子型乳化劑兩大類。前者又分為陰離子型、陽離子型和兩性離子型乳化劑三種；后者則有醚型、酯型和其他類型三種。
選擇乳化劑的基本原則是，選擇與被乳化樹脂結構相似的乳化劑品種，以增強乳化效果，若乳化劑能溶于被乳化的樹脂中會提高乳化效率；選擇具有增溶能力的乳化劑，會使產生的乳液具有好的貯存穩定性；乳化劑在使用中應無毒，不污染環境。
在制造環氧樹脂乳液時，可選用非離子型的烷基酚聚環氧乙烷作乳化劑，它含有憎水基烷基酚和親水基聚環氧乙烷（醚鍵）。當環氧樹脂和水加在一起時，因不相溶其分成兩層，加入烷基酚聚環氧乙烷后，親水基聚環氧乙烷溶于水，而憎水基烷基酚溶于環氧樹脂，經攪拌后使環氧樹脂變成為微粒子分散在水中，得到穩定的環氧樹脂乳液。環氧樹脂乳化過程如圖4-1所示。
 用作環氧樹脂的乳化劑主要有聚氧乙烯烷基酚縮合物類（如聚氧乙烯烷基酚醚等）、聚氧乙烯脂肪醇縮合物類（如脂肪醇環氧乙烷縮合物等）和聚氧乙烯蓖麻油縮合物類（如蓖麻油環氧乙烷縮合物等）。
通常采用在低分子液體環氧樹脂中加入螯合劑、乳化劑和流變促進劑等，制成低黏度、穩定的環氧樹脂乳液。可供乳化的環氧樹脂有Epikote 255、E-44酮醛環氧樹脂、海因環氧樹脂、E-51環氧樹脂和甘油環氧樹脂等。利用環氧樹脂與含羥基、羥甲基和醚鍵的合成樹脂混合乳化后，得到混合型乳化樹脂，增加了水乳化環氧涂料品種，拓展了其應用領域。煤焦油改性的水乳化環氧涂料，形成優異的防水涂膜，已取得廣泛應用。
2.固化劑品種含活潑氫化合物（加成固化劑）和叔胺化合物（聚合固化引發劑）的固化劑，一般都能在水中乳化或溶解。液體氨基一酰胺（Casamid 360）、低分子聚酰胺、苯酚-甲醛-胺縮合物、液化二氰二胺、醚胺-亞胺縮合物等，都可作水乳化環氧涂料的固化劑。
水乳化環氧涂料中的水起到氫鍵給予體的固化促進作用，但由于涂料中含水量較大從而會影響固化效率。因此，在常溫下從涂膜內移走大量的水，是目前正在設法解決的技術難題之一。
水乳化型環氧涂料可選用的固化劑有Casamid 360、改性聚酰胺、H61固化劑、氨基丙烯酸樹脂、自乳化型固化劑和D-8固化劑等。
3.添加劑的作用水乳化型環氧涂料中，添加劑是極重要的組分，它是決定水乳化環氧涂料穩定性的關鍵因素。
（1）表面活性劑表面活性劑的作用是促進基料與顏填料混合、改進流動性和貯存穩定性，并能防止涂料包裝容器內壁生銹。偏硼酸鈉和防銹劑可保持乳液穩定、賦予涂膜殺菌性。
（2）螯合劑螯合劑（緩沖劑）能調節乳液的pH值，保證乳液穩定性。如在乳液中加入硝酸鋅、磷酸二氫銨和硫代氰酸銨，乳液pH值分別為6.1、6.8和7.1；在23℃下貯存兩個月后，相分離量分別為0、＜5%和5%。
（3）消泡劑在水乳化型環氧涂料中加消泡劑等添加劑，會有效地防止涂料在分散及攪拌過程中發泡，調整涂料及涂膜性能。常用添加劑種類和用量見表4-3。
 4.顏填料水乳化型環氧涂料中的顏填料，應滿足在水中具有分散性、穩定性并可減小水相pH值變化的條件。通常選用水溶性極小的顏填料，或將顏填料進行除去水溶性鹽的預處理。常用的顏填料與水溶性環氧涂料相同。在水乳化型環氧涂料中加入氧化鐵、鉻酸鋅、磷酸鋅、鉻酸鋇和硼酸鋅后，作為金屬材質的底漆，這種涂料已取得令人滿意的應用效果。
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