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有機和無機富鋅塗料的性能特征研究

鸿运来彩票:2015-09-08 09:18:43

有機和無機富鋅塗料的性能特征研究

摘要:介紹了有機和無機富鋅塗料的組成、性能特征及在鋼鐵防腐領域的應用;提出水性無機富鋅底漆將是未來富鋅塗料的發展方向。

关键词:无机磷酸盐富锌涂料;環氧富鋅底漆;钢铁防腐

1 引言

塗料作爲簡單和經濟有效的防腐手段已有數千年的曆史。自工業革命以來,鋼鐵等金屬材料大規模生産,爲了減少金屬腐蝕問題,人們采取了許多措施,但迄今爲止仍以有機塗層最有效、最經濟也最普遍。目前作爲鋼鐵結構的防腐和車間底漆最爲普遍、最爲重要的仍然是富鋅底漆。現代工業技術的發展不僅爲鋼結構防腐塗料的發展提供了較好的技術物質條件,也提供了更爲廣闊的市場,同時也將使防腐塗料趨于成熟完善。

2 富鋅塗料

富鋅塗料在塗料體系中主要是以富鋅底漆的形式用于各種鋼鐵結構的防腐,因其配方中富含大量的電化學防鏽顔料———鋅粉,故被稱爲富鋅塗料。富鋅塗料漆膜堅硬、附著力好、防鏽能力強,具有優異的三防性能和抗氧化防腐蝕性能,以及優良的陰極保護作用和導靜電作用,對焊接性能無不良影響,可與大部分塗料配套使用,已經成爲鋼鐵等黑色金屬防腐應用領域中最普遍、最重要的底漆,在大氣和海洋防腐領域中幾乎沒有可與之競爭的對手。只有被塗材質處于酸堿腐蝕的介質環境下,由于這些介質能夠滲透進去易與鋅粉發生反應而生成氫氣,只好采用其它防鏽底漆。富鋅底漆在生産和應用方面可分爲兩大類,即以矽酸鹽等無機物爲黏結劑的無機富鋅底漆和以環氧樹脂爲黏結劑的有機富鋅底漆。在用于防腐領域時,它們都必須滿足以下配套要求:①由于底漆中的鋅粉要同鋼鐵緊密接觸才能發揮其電化學保護作用,因此對基體表面的前處理要求嚴格,被塗底材必須進行噴砂處理才能保證其施工質量。②富鋅底漆漆膜通常較薄,並易受外部環境介質的影響,故一般不單獨使用,必須配以適當的中間漆和面漆,並達到規定的漆膜厚度。由于富鋅底漆有良好的耐蝕性和可焊接性,因而也普遍被用于車間底漆,也稱爲鋼材預處理底漆或保養底漆。塗有保養底漆的鋼板或鋼結構件在預處理、切割和焊接時不發生鏽蝕,鋼結構部件安裝完畢時無需再噴砂,只需用水清除被塗物件表面的汙物就可直接進行下道底漆或面漆的塗裝。

3 對鋅粉的要求

鋅粉是最重要的電化學防鏽顔料,與其它金屬相比有如下特點:比鐵輕,有良好的延展性,可同鐵制成合金。最重要的是其電化學活性,其標准電極電位爲-0.76V,較鐵的-0.44V活潑,富有“自我犧牲精神”。鋅被熔融並加工淨化成細顆粒的高純度鋅粉,作爲重要的防鏽顔料用于防腐塗料中,在漆膜受到侵蝕時,鋅粉作爲陽極會先受到腐蝕,基材鋼鐵作爲陰極而受到保護。由于鋅粉作爲犧牲陽極形成的氧化産物對塗層起到了封閉作用,因而加強了塗層對底材的保護作用。而鋅粉在保護底材免受侵蝕的過程中逐漸被消耗,但速度很慢。其耐腐蝕産物的形成,使塗層與底材的電位差有所減小,當漆膜被損傷時,就又露出新的金屬鋅,電位差會立即增大,産生新一輪較強的陰極保護作用,所以富鋅漆的鏽蝕不會從漆膜損傷處向周圍擴散。爲確保在富鋅底漆中鋅粉能同鋼鐵緊密結合而起到導電和犧牲陽極的作用,保證富鋅底漆的工作質量,對富鋅塗料中所含鋅粉的含量占幹膜總質量的百分比,國際上已作了規定。如美國鋼結構塗裝協會標准《SSPC-paint20》中具體規定:無機富鋅漆不少于74%,有機富鋅漆不少于77%。有機富鋅漆中含鋅量之所以比無機富鋅漆含鋅量偏高是由于其導電性較無機富鋅漆差。更有許多單道塗層的長效防腐蝕無機富鋅塗料産品中鋅粉的含量在水溶性漆中達75%,溶劑型塗料中達到82%以上。不同塗裝用途對富鋅底漆厚度的要求也不同,隨之對鋅粉顆粒大小和形態的要求也不同,見表1。


表1不同塗裝用途對鋅粉粒度及分布的要求

4 有機富鋅塗料

有机富锌涂料最常用的是环氧富锌涂料。此外还有氯化橡胶富锌涂料等,但因其是热塑性树脂,遇热时会变软,所以应用的不多。環氧富鋅底漆是以锌粉为防锈颜料、环氧树脂为黏结基料、聚酰胺树脂或胺加成物为固化剂,加以适当的混合溶剂配制而成的。它具有优异的阴极保护性、耐机械磨损性、耐热性和焊割时漆膜烧损面积小等特点。各种资料表明,在钢铁上涂覆環氧富鋅底漆经焊接后接头的抗拉、冷弯、焊接中心冲击值和焊缝金属的屈服点、抗拉伸强度、延伸率及断面收縮率等各项技术数据与同样条件下未涂覆底漆的数据相似,证明该产品对钢材的焊接工艺质量无不良影响。加上它干燥迅速、重涂间隔时间相对较短、附着力好、耐碰撞、耐热可达120℃,并能和大多数面漆配套(除醇酸漆会皂化外),因而是多道涂层系统中很好的底漆。不论是新建还是在现场维修等施工,都由于環氧富鋅底漆所具有的突出的防腐蚀性能而被首选。特别是作为桥梁、海上设施、隧道等钢铁结构上的防腐施工。環氧富鋅底漆的优异性能除了其配方中锌粉的重要作用外,主要取决于环氧树脂成膜后本身的分子链上所含有的很稳定的碳-碳键和醚键以及苯环,而使涂膜结构致密、屏蔽性好,经固化后抗渗透性能优异,并具有很好的耐水性、耐盐雾性和优良的耐化学品性。另外,环氧涂膜分子中极性较大的羟基与相临界面产生的引力与金属表面上的游离键起反应,形成牢固的化学键从而大大加强了涂膜的附着力,扩大了对底材的适应性。同时,成膜后苯环上的羟基已被醚化,所以质量稳定、涂膜刚柔结合、耐磨性能好、涂料固体含量高,在固化过程中没有大量的小分子副产物生成,因此还具有体积收縮性小、热膨胀系数低等特点。有机富锌涂料和无机富锌涂料相比较,它的不足之处是其耐腐蚀性稍逊于无机富锌涂料。因为它的导电性能相对较低,所以阴极保护作用相对较弱;其次是可接受的氯化物含量较低,在电焊切割时产生的微细氧化锌烟雾相对要大些,不利于环保。但其对被涂覆的钢铁底材的喷砂前处理要求则比无机富锌涂料低,其耐机械碰撞性能也要好些,其上罩面漆也较易配套,所以应用很广泛。

5 無機富鋅塗料

無機富鋅塗料的成膜基料主要是各種矽酸鹽系列:如矽酸鈉、矽酸鉀、矽酸锂、矽酸胺、矽溶膠以及聚矽酸和磷酸鹽等。矽酸鈉:成膜性好、易溶于水、極易制成塗料、價格低,但易被碳化,制成單組分塗料時漆膜耐水性很差。矽酸鉀:易溶于水、成膜性好、價格適中。矽酸锂:較難溶于水、不易得到較高的濃度、能耐較高的溫度,但熱應變性差。矽酸胺:耐水性良好、成膜性差、高溫易變色、溶液不穩定。聚矽酸:成膜性好,耐高溫,但價格較高、生産工藝複雜。上述矽酸鹽系列基料自固化模數順序爲:矽酸锂≥2;矽酸鈉≥4;矽酸鉀≥6。作爲水溶性無機富鋅塗料使用的矽酸鉀,其模數爲2.2~5.0時,附著力最好。隨著模數的提高,矽酸鉀、矽酸鈉的黏度增大,呈現不穩定性。而矽酸锂雖較難溶于水,不易得到較高的濃度,但能制得1~25模數的穩定溶液。模數小于2.2時易沈澱;模數大于10時附著力有所下降;模數在3.9~4.7時性能最好。目前,矽酸锂是水性無機富鋅塗料最常用的基料。無機富鋅塗料結合了熱噴鋅(鋁)與有機富鋅塗料的優點,性價比高,是目前國際上最具發展前途的環保型防腐塗料。無機富鋅底漆具有長久的耐腐蝕性能、高硬度、耐磨、耐候性、耐熱性、耐溶劑性和不燃不爆、可焊接性、零VOC排放等特點,使其在許多重防腐領域的應用日益廣泛,特別是在大氣和海洋重防腐領域,得到越來越多的業內人士的認可。無機富鋅塗料中的主要顔料是鋅粉。爲確保鋅粉在富鋅底漆中能夠同被塗基層鋼材緊密結合而起到導電和犧牲陽極的作用,國際上對不同類型的富鋅底漆的鋅粉含量也做了相應的規定。如在無機富鋅底漆中,鋅粉在幹膜中的總含量應不少于74%。對鋅粉細度的選擇,應大于325目,鋅粉細度並不是越細越好,而是以500目爲最佳。無機富鋅底漆的防腐作用是在水和氧的存在下,金屬鋅粉發生陽極反應,生成的腐蝕産物隨著腐蝕介質的不同而有所不同。其中有氧化鋅、氫氧化鋅、堿式碳酸鋅、堿式氯化鋅、氧化氯化鋅等。這些生成物結構致密,是穩定的微水溶性化合物,沈積在鋅層表面,形成一道鈍化的屏蔽層,從而有效阻止了水、氧、鹽的滲透,使下層鋅的電化學反應速率減弱,腐蝕速率下降。同樣,無機富鋅塗料比有機富鋅塗料有著更佳的防腐蝕性和更好的耐熱性、導電性以及施工安全性。同時存在的不足是它對被塗覆底材的前處理要求較高,施工與固化受環境溫度、濕度影響較大,漆膜較脆,在其上配套罩面漆較爲困難,必須注意配套性以免起泡或脫落。因此,爲取得較好的噴塗配套效果,有效解決這一問題,在施工時應做到:①底材的前處理必須達到標准;②富鋅底漆的噴塗厚度應在規定的範圍內;③鋅粉顆粒間不可殘留溶劑;④富鋅底漆必須充分固化後方可罩面漆;⑤面漆必須具有一定的耐堿性能。

6 幾種富鋅底漆的性能特征

國內常見的幾種富鋅底漆的主要組成見表2,其物理性能、防腐性能、施工性能見表3~5。

表2 富鋅底漆的主要組成


表3 富鋅底漆的物理性能


表4 富鋅底漆的防腐性能


表5 富鋅底漆的施工性能

6.1 環氧富鋅底漆

環氧富鋅底漆采用胺类固化剂。胺可与钢铁表面上的氧化物形成氢键,提高涂料的湿膜附着力和干膜附着力。環氧富鋅底漆的机械强度高、漆膜坚固、屏蔽效果好。

6.2 醇溶性無機富鋅底漆

醇溶性無機富鋅底漆是目前國內長效重防腐配套體系中應用最多的底漆。它的固化機理比較複雜,主要是以正矽酸乙酯的水解低聚物爲成膜物與鋅粉混合,塗覆成膜後,部分水解的矽酸乙酯繼續水解和縮聚,最終成爲網狀高聚物。該底漆幹燥速率快、施工適應性好。爲了進一步增進漆膜的附著力、減少脆性,拼入少量極性相近的抗皂化聚乙烯醇縮丁醛樹脂或其它樹脂的效果很好。

6.3 水性無機富鋅底漆

水性無機富鋅底漆具有優越的性價比以及環保優勢。主要由鋅粉和聚矽酸堿金屬鹽組成的水性無機富鋅底漆,成膜後形成網狀高分子聚矽酸鋅鹽絡合物。由于水的表面張力大,濕膜不容易在鋼鐵表面鋪展,特別是邊角部位容易産生縮邊,濕態附著力較差,甚至會發生起皮、剝落現象。只有增加底材表面的粗糙度,方可改善塗膜的附著力。因此,在水性無機富鋅底漆的塗裝過程中對塗漆前的鋼鐵結構表面預處理非常重要,除油、噴砂必須達到Sa2.5級,粗糙度達到40~70μm。爲改進水性無機富鋅底漆的施工成膜性和耐腐蝕性,還可以加入相應的助劑,如流平劑、緩蝕劑等。實踐表明,利用絡酸鹽及有關防鏽顔填料等在金屬表面形成的過渡層是防止水性無機富鋅底漆出現閃蝕和提高附著力的有效方法。

6.3.1 水溶性後固化型無機富鋅底漆

水溶性後固化型無機富鋅底漆主要是以矽酸鈉(又名水玻璃,俗稱泡花堿)爲黏結劑,加入輔助成膜增塑劑,如羧甲基纖維素與鋅粉充分混合後塗在鋼鐵表面,當塗膜幹燥後,再噴上酸性固化劑,如稀磷酸或稀釋的氯化鎂溶液使塗層固化。磷酸固化劑的作用在于同矽酸鈉生成矽酸,副産物爲磷酸鈉。生成的矽酸與鋅粉反應生成矽酸鋅聚合物,副産物磷酸鈉、氯化鈉可以溶于水中,在塗層完全固化後可用水洗去。而生成的不溶性産物矽酸鋅聚合物則增加了塗層的致密性,對塗層有良好的屏蔽作用。後固化型無機富鋅底漆雖然有良好的防腐蝕效果,但塗層固化後需用水清洗塗膜表面以除去多余的未反應的固化劑和副産物。因工藝複雜,這種無機富鋅底漆目前已經很少使用了。

6.3.2 水溶性自固化無機富鋅底漆

水溶性自固化型無機富鋅底漆的主要成膜物爲矽酸鈉或矽酸锂等矽酸堿金屬鹽類,加入適量的海藻酸鈉溶液或苯丙乳液等輔助原料,以及流平劑、緩蝕劑再與鋅粉混合後而成。它的反應原理是利用空氣中的二氧化碳和濕氣與矽酸鹽進行反應,在生成碳酸鹽的同時,鋅粉也同矽酸鹽充分反應成爲矽酸鋅高聚物,它保留了對水的敏感性,直到水溶劑完全從漆膜中揮發。自固化型無機富鋅底漆耐蝕保護性能優越,主要應用于成品油或化學品儲罐內壁。但爲了提高這種塗料的反應活性,要求矽酸鹽的模數較高,和後固化型無機富鋅底漆的缺點一樣,塗膜幹燥速率較慢,固化受溫度和濕度的影響較大,在其固化過程中對水較爲敏感。

6.4 無機磷酸鹽富鋅底漆

該類産品是由磷酸鹽、聚矽酸和鋅粉等組成的一種新型富鋅底漆。它的防腐機理是除了有鋅粉的陰極保護作用之外,磷酸鋅也能夠和Fe3+形成附著牢固的絡合物Fe3+[Zn(PO4)3]沈澱層而抑制陽極反應,同時能與樹脂中的羟基、羧基絡合使顔料和樹脂與底材之間結合形成化學鍵而提高塗層的附著力和抗滲性,是目前發展應用較快的一種無機富鋅底漆。

7 富鋅底漆性能分析與發展方向

7.1 性能分析

⑴盐雾试验表明:无机磷酸盐富锌底漆的防腐效果最好,醇溶性无机富锌底漆和水性无机富锌底漆次之,環氧富鋅底漆最后,总之在防止电化学腐蚀方面,无机富锌底漆要比有机富锌底漆更好些。因此有机富锌底漆比较适用于大气环境下的钢结构防腐蚀,而无机富锌底漆更适合于海洋环境下的钢结构防腐蚀。⑵无机富锌底漆对钢材表面的前处理要求较高,否则会影响到涂层的附着力。在一般情况下都需加涂一道封闭漆。⑶環氧富鋅底漆的黏结性、附着力、机械强度、屏蔽性能以及与其它涂料品种的配套性要比无机富锌底漆好。⑷无机磷酸盐富锌底漆虽然防腐性能很好,但其涂膜硬度较低、机械强度差,涂膜在上面漆前易损坏,因而硬度需要改进提高。

7.2 發展方向

⑴基料的改進:生産中可采用多種矽酸鹽進行複配,如矽酸锂-矽酸鈉體系、矽酸鹽與合成樹脂乳液複合使用,如常用的苯丙乳液、矽丙乳液等。還可采用溶膠-凝膠技術制備的無機成膜物和有機乳液互穿共聚網絡。樹脂中堿矽比高(可達5.6),穩定性好、不分層、不結塊,或以矽酸鈉爲原料制備的高性能的锂水玻璃,或向基料中加入一定量的矽溶膠提高水玻璃的模數,或直接在基料中加入緩蝕劑,將金屬預處理的鈍化過程或磷化工藝與塗料的成膜過程相結合,在金屬表面形成類似于磷化層的過渡防腐塗層等。⑵顔填料的改進:目前國內工程中實際應用的富鋅塗料所加鋅粉均屬球狀鋅粉,即以球狀鋅粉爲填料,如果改用鱗片狀鋅粉來配制鋅基富鋅塗料,塗層就會具有優良的屏蔽作用和較強的韌性,塗層的電化學性能也會更好,即使鋅粉的加入量大幅降低(降至50%或更多),塗層仍會保持良好的導電性,施工性能也更加優異。由于鱗片狀鋅粉的密度比球狀鋅粉小得多,加之加入量的大幅降低,會使鋅粉塗料密度減小,産生更好的抗沈澱性,並可有效解決底材預處理線上的應用限制和電焊切割時産生的鋅煙霧帶來的“鋅熱病”的危害,降低塗料的施工成本。⑶在無機富鋅塗料的成膜過程中,氧化鋅與矽酸鹽的反應對漆膜固化及形成鈍化膜起著重要作用。如果用導電氧化鋅代替一般氧化鋅可有效提高塗層的導電性和耐腐蝕性能;如果用鐵钛粉或磷鐵粉部分取代鋅粉制備富鋅(低鋅)塗料,還可有效降低塗料成本,提高塗層的防腐蝕性能。

8 結語

鋼結構防腐是一項涉及多學科、多領域的複雜系統工程,而富鋅底漆在防腐塗料配套中是非常重要的一部分。在應用中一般用什麽底漆,其施工工藝及面漆配套都比較成熟,但是要達到長效防腐還需要選擇優秀的中間漆(如環氧雲母氧化鐵中間漆)和耐候性能好的面漆,而且塗層的總厚度也很重要。對于長效防腐要求年限在10年以上的塗層,其噴塗幹膜總厚度均應在200μm以上,才能有效保證使用年限。應根據使用環境條件設計選擇合理的防腐塗料配套品種和各塗層的厚度,制定出塗裝工藝及質量控制標准。在施工階段按質量標准嚴格控制各個工序的施工質量。對于低汙染或無汙染的防腐塗料———水性無機富鋅塗料,是屬于環保型塗料發展中的重中之重,是21世紀塗料的發展方向。相信,隨著新技術、新工藝的發展和新材料的應用,以及人們環保意識的增強,水性無機富鋅塗料的性能將會更加優良,市場將會更加廣闊。





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