富锌涂料的研究进展

             富锌涂料的研究进展
                    杨   博1，徐家燕2，梁建新2，马少妹1，袁爱群1
    （1.广西民族大学化学化工学院，广西南宁  530006 ；2.广西柳州鱼峰制漆股份有限公司，广西柳州  545005）
    摘   要 ：介绍了富锌涂料的发展历程、分类和防腐蚀机理，对无机富锌涂料与有机富锌涂料的性能特点进行了比较，并对富锌涂料的研究进行了展望，为富锌涂料实现低污染、高效、多功能提出了建设性建议。
    关键词 ：防腐蚀 ；富锌涂料 ；环氧富锌涂料 ；水性无机富锌涂料
    中图分类号 ：TQ 630.7       
    文献标识码 ：A       
    文章编号 ：1009-1696（2014）04-0032-04
    0·引言
    钢铁在现代建筑中的使用越来越多，由于其制造工艺简单、机械性能优异等特点，非常适合现代高层、跨度较大的建筑。大量使用钢铁的同时，腐蚀问题随之而来，每年因腐蚀造成的损失约占全球生产总值的5%左右［1］。人们采取了很多方法来减缓钢铁的腐蚀、延长其使用寿命［2-3］，例如选择防腐材料、加入缓蚀剂、涂布防腐蚀涂料等。其中涂布防腐蚀涂料是最有效的方法，更重要的是其使用方便，并且价格便宜。防腐蚀涂料的品种繁多，较为常见的有富锌涂料，其耐腐蚀性、耐热性、耐用性都非常突出，通常作为防锈底漆使用。
    1·富锌涂料的发展历程
    19世纪40年代，法国人开发出了热浸镀锌工艺，但其存在污染大、能耗高等问题。20世纪30年代，美国等国家的研究人员成功地开发了无机富锌涂料，把锌粉添加到水玻璃中制备而成，但其有一个致命的缺陷是需要高温烘干固化［4-5］。20世纪50年代初，后固化型无机富锌涂料在美国研制成功，在高模数的硅酸钠中添加锌粉配制而成，使用时需要在其表面喷淋酸性固化剂进行固化。由于它不需要高温烘干固化，使用比较方便，因此开始了广泛使用。20世纪60年代，在我国的铁路铁轨建设中开始大量推广使用这种后固化型无机富锌涂料，效果明显。20世纪70年代末，醇溶型自固化无机富锌涂料［6］研制成功，它的基料是聚硅酸乙酯，漆膜由正硅酸乙酯在少量盐酸的催化作用下水解缩聚而得到。这种富锌涂料干燥迅速，喷涂之后自行固化，无需后期繁琐的固化操作，非常容易施工。
    20世纪40年代同时也产生了一种全新的与无机富锌涂料成膜机理完全不同的有机富锌涂料，研究人员将锌粉添加到某些有机高分子材料中，其防锈效果非常显著。有机富锌涂料的成膜物质为高分子聚合物，如聚苯乙烯、环氧树脂等。聚酰胺固化环氧树脂有机富锌涂料是使用最广泛的一种，它有相当良好的防锈性和适应性。环氧富锌涂料对基材表面处理程度要求不是那么苛刻，涂膜附着力强、硬度高，一般作为底漆使用，与其他面漆的相容性也很好，是现在生产使用最多的一个涂料品种。
    2·富锌涂料的分类
    富锌涂料的成膜物质多种多样，据此可以将其分为无机型和有机型两类（表1）。
    
    2.1   无机富锌涂料
    无机富锌涂料的成膜物质为硅酸盐、磷酸盐等无机聚合物。这些成膜物质与涂料中的锌粉发生络合反应，在金属基材的表面生成致密的保护膜。无机富锌涂料可以分为水性和溶剂型两类。
    水性无机富锌涂料主要由硅酸钠、硅酸钾等水性硅酸盐树脂以及锌粉、助剂等组成［8］。根据其固化形式的不同，可以分为后固化与自固化两类。后固化型无机富锌涂料施工较为复杂，涂膜较脆，容易开裂，涂层干燥需要喷雾固化剂（如稀磷酸或氯化镁溶液）。自固化型无机富锌涂料无需加热或者喷雾固化剂，它的成膜机理是 ：含有的硅酸盐在与大气中的CO2、水分接触下发生水解反应，随后与锌粉交联聚合生成含锌高聚物膜，在金属表面形成保护层。由于水性自固化无机富锌涂料固化速度快、漆膜硬度高、施工方便，因而在市场上很常见。
    溶剂型无机富锌涂料的成膜物质一般为正硅酸乙酯等易溶于有机溶剂的物质。刷涂涂料之后，随着溶剂的挥发，其中的烷氧基由于吸收环境中的水分发生水解，随后发生固化形成高分子硅氧烷聚合物。
    这种聚合物呈网状而且相当致密，从而能够形成很好的保护膜。
    2.2   有机富锌涂料
    有机富锌涂料的成膜物质主要是有机类合成树脂。有机富锌涂料的主要成分有成膜树脂、锌粉、助溶剂［9］等，还可添加一些填料改善其性能。常见的如环氧树脂富锌涂料，它需要添加聚酰胺树脂进行固化 ；其它有机富锌涂料，如氯化橡胶富锌涂料和聚氨酯树脂富锌涂料等。不过由于氯化橡胶等富锌涂料的耐久性、耐热性不如环氧类富锌涂料，所以在实际生产中，数环氧类富锌涂料应用最广泛。由于环氧富锌涂料对金属的表面处理程度要求不高，适应性较好，一般作为多道涂层系统中的防锈底漆与其它面漆配合使用。
    3·富锌涂料的防腐蚀机理
    富锌涂料的防腐蚀作用机理有3个 ：前期牺牲阳极的阴极电化学保护作用 ；后期锌粉腐蚀产物形成堵塞涂膜孔隙的物理屏蔽作用 ；涂膜的自修补和钝化作用。
    3.1   锌粉的电化学保护作用
    在腐蚀电池体系中，始终是电极电位更低的阳极受到腐蚀。Zn的标准电势（-0.762 V）比Fe的标准电势（-0.440 V）更低，所以当水分侵入涂膜时，在涂膜与钢铁之间会形成一个原电池体系。随着电子得失的转移，锌在阳极失电子被腐蚀，钢铁在阴极得电子而受到保护。
    锌粉在涂层中起到了十分关键的作用，必须在涂膜中保持一定的含量，这样电化学保护作用才能持久。涂层、钢铁基材之间的腐蚀电池体系中，电子转移要保持通畅不能受阻，否则保护作用会受影响。锌粉含量需保持适量，不能过多也不能过少，一般占到干膜质量的80%左右时效果最佳［10］。锌粉含量过多，漆膜可能会起泡，此时涂层孔隙变大，保护作用会受到较大影响 ；如果涂膜中锌粉含量过少，在成膜物质的包覆之下锌粉与钢铁表面不能有效接触，电子转移受阻，电化学作用失效，同时也有可能造成锌粉脱落而不能发挥作用。
    3.2   物理屏蔽作用
    生成腐蚀产物，堵塞涂层孔隙、弥补缺陷，这是富锌涂料物理屏蔽作用的主要原理。锌的腐蚀较为复杂，可分为吸氧和析氢腐蚀，腐蚀产物随环境中介质的不同而不同。涂层电阻较大，钢铁表面与腐蚀介质的接触将会被有效地阻断。在无机富锌涂层和有机富锌涂层中，腐蚀产物起到的作用略有差别，除了能够堵塞涂层孔隙之外，腐蚀产物还能将无机富锌涂层进一步连为一体。
    3.3   涂膜的自修补作用
    漆膜因外力受损伤后，金属基材露出，裸露处会有腐蚀电流通过，因而锌的腐蚀产物就会在那里生成，长时间之后会形成保护膜层，这就是涂膜的自修补作用。涂膜自愈合的宽度大约是6 mm［11-12］。
    4·无机富锌涂料与有机富锌涂料的性能差别
    无机富锌涂料与有机富锌涂料相比，在有些性能方面占有一定优势，如耐腐蚀性和施工安全性更佳 ；但不足之处是基材的前期表面处理要求严格，漆膜固化容易受空气温度、湿度等环境因素的影响。其漆膜硬度略差、容易开裂，与其它面漆配合使用的相容性较差［13］。
    有机富锌涂料由于涂膜中含有机物质，在电焊施工时，可能会产生微细锌烟雾、有机气体等有害物质，不利于环保。但其优点也很多 ：施工操作简便，对基材的前期处理程度要求比无机富锌涂料低得多 ；涂膜附着力强、硬度高，不易开裂受损 ；与其它面漆配合使用相容性好。
    5·富锌涂料的研究展望
    环保问题日益受到人们的重视，所以环保型涂料将是未来涂料发展方向之一。开发低污染甚至无污染的高效复合型多功能涂料，将是富锌涂料的总体发展趋势。可以考虑如何在保持富锌涂料优点的基础上，克服弥补其调制困难、施工不便、干膜机械性能差、硬度不足等弊端，以及降低锌粉含量、减少污染等缺陷与不足之处。富锌涂料未来的研究方向可以从以下几点着手 ：
    （1） 对富锌涂料用树脂进行改性、互穿网络化等处理，降低锌粉的含量，使涂层既能够保持良好的防腐蚀性，又具有较好的表面效果，使富锌涂料具有“底面合一”的功能。
    （2） 富锌涂料在喷涂前期对基材的表面处理程度要求十分严苛，非常不方便。可在其中加入化锈剂、稳锈剂等活性颜料，把活性的锈蚀惰性化，使其呈较稳定的状态，这样就可以对锈蚀较轻的基材直接进行涂装，无需事先除去表面锈蚀，喷涂操作将大大简化。
    （3） 当前主要是把富锌涂料作为单一涂层来研究，而实际生产中富锌涂料大多都只是作为多道涂层体系中的底漆来使用，所以富锌涂料作为多体系复杂涂层中底漆的防锈功能以及与其它面漆配合使用的相容性问题等都值得好好探究。
参考文献
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