水性无机富锌涂料的研制
高瀚文 邓宽 王炜
（中冶建筑研究总院有限公司，北京100088）
摘要：以低模数的硅酸钾溶液和硅溶胶为原料，制备成稳定性良好的高模数硅酸钾溶液。讨论了温度、硅烷偶联剂种类和搅拌速度等因素对制备高模数硅酸钾溶液的影响。比较了研制的水性无机富锌涂料和国内外同类产品的性能。介绍了水性无机富锌涂料的施工工艺。
关键词：高模数硅酸钾溶液；水性无机富锌涂料；防腐性
中图分类号：TQ 630.7文献标识码：A文章编号：1009-1696（2012）01-0001-03
金属腐蚀是人们面临的一个十分严重而又最为普遍的问题，全世界每年因腐蚀造成的经济损失约占各国GDP的2%~4%，因腐蚀而报废的金属达亿吨以上。涂覆涂料是防止和延缓钢铁腐蚀最经济的方法之一。随着当前涂料向着环保化、高性能化和多功能化方向发展，水性无机富锌底漆因其独特的保护机理、零VOC、防腐性能优异、配套性良好和价格合理而被广泛应用，成为我国建筑钢结构的主要底漆。2008年水性无机富锌底漆的产量为0.9万t，比2007年增加15%以上［1-3］。
水性无机富锌涂料采用高模数硅酸盐为基料，通过硅酸盐与锌粉在一定条件下反应交联成膜。由于锌的标准电位较钢铁低，腐蚀介质渗入时，钢铁与锌粉形成原电池，锌粉作为原电池的负极失去电子，钢铁作为正极得到电子而获得保护。另外，溶解出来的锌离子与腐蚀介质中的阴离子结合而形成碱式锌盐和锌铁复盐，填满涂膜的裂缝，而达到隔离防腐蚀的目的［4-6］。本文探讨高模数硅酸钾溶液的制备工艺参数，以及水性无机富锌涂层的性能和施工工艺。
1·实验部分
1.1原材料与实验仪器
硅酸钾溶液、硅溶胶，江阴国联化工有限公司；改性剂（MCC-T6），中冶工程材料有限公司；硅丙乳液，中冶工程材料有限公司；硅烷偶联剂，北京化学试剂有限公司；锌粉；马口铁片、钢板。
高速搅拌器；温度控制仪；电子天平；柔韧性测定仪；漆膜冲击试验仪等。
1.2水性无机富锌涂料的制备
将一定量的低模数硅酸钾溶液倒入三口烧瓶中，温度控制在30~70℃，在搅拌下滴加计量的硅溶胶。滴加完毕，继续向体系中滴加计量的改性剂或偶联剂，高速搅拌，制得透明高模数硅酸钾溶液。停止加热，当体系温度降至室温时，滴加定量的硅丙乳液，制得液料组分。然后，加入锌粉，形成高摩尔比水性无机富锌涂料。
1.3试验方法
1.3.1液料组分稳定性测定
将液料组分放入50℃烘箱中，考察其贮存稳定性。
1.3.2漆膜性能的测定
漆膜性能的测定参见HG/T 3668—2009。
2·结果与讨论
2.1制备高模数硅酸钾溶液的影响因素
2.1.1温度的影响
在30~70℃温度范围合成了一系列高模数硅酸钾水溶液，考察了温度对体系反应程度的影响，见表1。
由表1可见：温度对高模数硅酸钾溶液的制备有较大影响。温度较低时，滴入的硅溶胶与硅酸钾反应不完全，析出白色絮状沉淀；温度较高时，反应体系不稳定，也有沉淀产生。50℃是制备高模数硅酸钾溶液的最佳温度，溶解/增长反应能平稳进行。
2.1.2改性剂和偶联剂的影响
改性剂MCC-T6和不同种类偶联剂对制备稳定的高模数硅酸钾溶液有较大影响，试验结果如表2所示。
由表2可见：未加改性剂，合成的高模数硅酸钾溶液在高温（50℃）时的贮存稳定性不佳，6 d便凝胶化。加入环氧基硅烷偶联剂，高模数硅酸钾溶液的稳定性略有提高。甲基硅烷偶联剂的效果优于环氧基硅烷偶联剂，可能是因为甲基硅烷的水解产物与硅酸钾的胶体反应更完全，减缓了体系的凝胶化进程。改性剂MCC-T6效果最佳，是因为MCC-T6的水解产物改变了胶体表面电荷分布，同时其为低聚物，也起到了体积位阻的作用，使高模数硅酸钾溶液的高温稳定性得到明显改善。加入MCC-T6的高模数硅酸钾溶液常温放置一年仍澄清透明，未发现凝胶化现象。
2.1.3搅拌速度的影响胶体颗粒在反应体系中的分散情况是制备高模数硅酸钾溶液成功与否的关键因素。因此要求较高的搅拌速度，使反应器中的溶液在搅拌过程中能形成稳定的涡旋，以便胶体溶解/增长反应顺利进行。在反应过程中，要根据反应情况改变搅拌速度，使反应充分进行。
2.2涂层性能测定
将液料组分与粉料按1∶2.5比例混合均匀，熟化20 min后制板，固化后进行性能测定。研制的水性无机富锌涂料（MCC-601）与市售产品的性能比较见表3。
由表3可见：研制的MCC-601水性无机富锌涂料具有优异的物理性能，其附着力、柔韧性、硬度等指标均较优；该涂层具有较高硬度的同时，还具有较佳的柔韧性。本院自主研制的改性剂MCC-T6的加入和合成反应条件是影响漆膜性能的主要因素之一。研制的高模数硅酸钾水性无机富锌涂料（MCC-601）在基本性能方面达到或超过现有高档市售水性无机富锌涂料的性能指标。
2.3施工工艺
2.3.1表面处理
无机富锌涂料的防腐蚀效果除与涂料中的锌粉含量、漆膜致密性有关外，还与钢基材的附着力、涂装前钢基材的表面处理（除锈、除油、除污）有很大关系。如果钢材表面存在油污，漆膜附着力降低，涂层会出现剥落现象。所以，要求对工件表面进行喷砂处理，处理等级达到Sa 2.5级以上。对于电弧喷涂铝涂层，水性无机富锌涂层可直接喷涂其上作为封闭漆使用。若局部受到污染，必须彻底清除，可用中等的碱性清洗剂除去油污。只要不是油污太严重的钢件，只需喷砂或喷丸处理即可，不必专门除油。若为了进一步提高漆膜附着力和完整性，可在钢件表面用改性剂进行预处理，能达到更佳的防腐蚀效果。
2.3.2施工条件
施工时，要求底材表面的最低温度≥5℃，最高温度≤50℃，相对湿度≤80%。否则，影响水性无机富锌涂料的物理和化学成膜过程，降低漆膜的致密性。为了改善水性富锌涂料在低温和高湿环境下的施工性，有必要合成专用助剂或改变高模数硅酸钾溶液的化学组成，我们已经开展了相应的研究工作，并取得了阶段性进展。
2.3.3水性无机富锌涂料的配套性
水性无机富锌涂料可作为底面合一漆，但为了更好地发挥其优异的防腐性，需要复合配套涂层。在水性无机富锌涂料上罩面漆时，必须注意配套性，以免起泡或脱落：第一，罩面漆必须有良好的耐碱性；第二，水性无机富锌涂料必须充分固化后才可罩面漆；第三，无机富锌涂层厚度宜在规定范围内。根据工程应用经验，以环氧类涂料作为封闭层较好；中间涂层宜选用环氧云铁中间漆（60μm）；面漆以氯化橡胶、聚氨酯、聚硅氧烷面漆（80μm）为最佳的配套体系。
3·结语
水性无机富锌涂料是目前使用寿命最长的防腐蚀涂料之一，在环境保护成为世界主题的今天，其优良的防腐性使其成为国际上最具发展前途的环保型涂料。本文优化了制备高模数硅酸钾溶液的工艺条件，制得高稳定性的溶液体系，为进一步研究涂料的防腐性提供了有益的参考。
与国内外的高档涂料产品相比，研制的水性无机富锌涂料MCC-601各项性能与其相当，有些性能甚至更优。本涂料产品的原料立足国内，成本和价格适中，具有很强的市场竞争力，且本产品零VOC排放，迎合世界涂料发展的趋势，符合国家产业政策。
参考文献
1 ·Elisabete Almeida，Teresa C.Diamantino，Orlando de Sousa.MarinePaints
：The Particular Case of Antifouling Paints［J］.Progress in Organic
Coatings，2007（59）：2-20
2·李敏风.环保型建筑钢结构涂料发展形势分析［J］.电镀与涂饰，2009（28）：59-64
3·季瑞峰，钱叶苗，刘登良.水性无机富锌涂料［J］.涂料工业，1999（9）：7-9
4· Maximilian von Mildenstein，Wolfenbuttel.Zinc Powder-Silicate
Paint having a Long Pot Life.美国专利：3551173
5· Toshiharu Hayashi，Yokohama.Anti-corrosion Coating Composition.美国专利：4219358
6·王石青，何德良，丁庆云，等.模数对水性硅酸钾富锌涂层电化学行为的影响［J］.中国腐蚀与防护学报，2008（28）：359-368
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