钢结构防腐涂层配套体系的设计

2012-9 引言

金属腐蚀是普遍存在的自然现象。例如:钢材及其制品表面锈迹斑斑，铝制品表面的白色粉末，铜制品表面生出铜绿等，都是金属被腐蚀的结果。金属腐蚀可定议为:金属材料与周围环境相接触，相互间发生了某种反应而逐渐遭到破坏(或变质)的过程。近年来由中国工程院化工、冶金与材料部调查，我国每年工业和自然环境腐蚀的直接损失和间接损失达4979亿元，约占GDP的5%。金属腐蚀所造成的损失，不仅表现在使材料本身在其外形、色泽、力学性能等方面受到破坏，更主要的是表现在使其制品(如工程结构、机械装备等)和金属结构工程的质量等级下降，影响其使用价值甚至报废，个别情况下还会造成重大事故。然而，现代科学技术发展表明，金属腐蚀不仅是可以认识的，也是可以控制和减轻的。

一、金属腐蚀的分类:

1、按腐蚀作用机理分为:[金属从原子态(高能量状态、热力学不稳定状态)向离子态(能量较低，热力学稳定状态)转化的氧化过程]，如水向低处流。

A 化学腐蚀:单纯化学作用而引起的腐蚀，主要是干燥气体腐蚀和非电解质溶液(即不导电溶液如汽油)中的腐蚀(主要在高温条件下进行)。

B 电化学腐蚀:金属表面与周围电解质溶液相互之间发生电化学反应而引起的金属破坏，通过微电池进行，即阳极反应和阴极反应，如潮湿空气中的大气腐蚀、在酸、碱、盐溶液中的腐蚀，在土壤中的腐蚀以及不同金属的接合面的腐蚀等。

2、按金属材料所处介质和环境可分为:大气腐蚀、高温气体腐蚀、化工腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀、细菌腐蚀、应力腐蚀、杂散电流腐蚀、放射条件下的腐蚀以及其他各种特殊环境条件下的腐蚀。

防止钢铁大气腐蚀的简单且行之有效措施是涂覆有机、无机涂层和金属镀层。

二、常用防腐涂料简述

钢结构防腐工程一般采用复合涂层，分为底漆、中间漆和面漆。底漆主要有车间底漆、磷化底漆、环氧磷酸锌底漆以及富锌底漆;中间漆主要有环氧封闭漆

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和环氧中层漆等;面漆中、低档的主要有醇酸漆、丙烯酸漆、氯化橡胶漆，高档品种有丙烯酸聚氨酯面漆、氟碳面漆及聚硅氧烷面漆等。

1、 常用底漆

底漆的主要作用是:防腐蚀、确保涂层与底材的附着力并为后继涂层——中 间漆或面漆提供良好的附着基础。

(1) 车间底漆

车间底漆(shop primer)又称钢材预处理底漆(prefabrication primer)或保养底 漆，这是一种工序间临时保护底漆。

主要用于钢材喷砂后的一次表面处理，对钢材在焊接、切割、弯曲与成型阶段起临时保护作用。大大减少了在组装后二次除锈的工作量，有利于后续配套涂层的涂装。因此，车间底漆必须具备以下性能:

? 有优良的耐水、化学和溶剂性能，在钢材组装前至少有3个月的防锈能

力，一般为3,9个月户外防护期;

? 不影响焊接、切割速率和质量以及焊接强度;

? 焊接、切割时不产生超过劳动保护允许范围的有害气体;

? 适应自动化流水线的施工要求;

? 漆膜快干(3,5min)且力学性能好，耐磨性、耐弯曲性好，便于钢材在 工序间便捷吊装与转运;

? 在正式涂装时，它可以除去，也可能保留，主要取决于涂装时车间底漆 涂层本身的完好性和第一层涂装的涂料对表面处理的具体要求。为此，车间底漆的膜厚不计入涂层的总膜厚之内。

? 配套性好，适应大部分涂料的覆涂。

目前车间底漆主要有四种类型:聚乙烯醇缩丁醛车间底漆(PVB)、环氧含锌 车间底漆、环氧铁红车间底漆及无机硅酸锌车间底漆。

聚乙烯醇缩丁醛车间底漆又称磷化底漆，通常由磷酸、聚乙烯缩丁醇、四碱式锌黄以及填料和醇类溶剂组成。通过磷酸的蚀刻作用，磷化底漆可与许多不易进行彻底表面处理的底材结合，形成优良的涂层;同时四碱式锌黄可以结合生成铬酸铁覆盖在钢铁表面，使金属表面钝化。磷化底漆主要用于镀锌件、铝合金、不锈钢、喷锌喷铝等金属表面。为了确保磷酸的蚀刻作用，通常磷化底漆的漆膜厚度为10µm左右，太厚的涂层会影响附着力，而且不能用于自身覆涂。由于漆膜很薄，不能作为防锈底漆使用。对钢材的焊接和切割无任何不良影响，干性快，

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其表面能涂覆各种有机型涂料;但在室外保养期较短(一般为3个月)，热加工时损伤面积较大，耐电位性能较差，不适合水下环境，故应用受到一定限制。

为了弥补PVB车间底漆的不足，20世纪60年代初开发了环氧富锌底漆(zinc rich epoxy primer)。环氧富锌底漆以环氧树脂为基料，以聚酰胺树脂为固化剂，以金属锌粉为主要防锈颜料。由于锌粉颗粒相互接触，能起到类似镀锌层的电化学保护作用，因此具有很好的防锈性能，其室外保养期为6,9个月。由于锌含量多，电焊、切割等热加工时，释放较多的氧化锌烟尘，且对切割速率和质量亦有一定影响。另外，在其表面不能涂覆常规的油脂漆，尤其水下部位，会导致漆基中油脂的皂化，使涂层起泡、剥离。

为了克服环氧富锌底漆的弊端，20世纪60年代中期，开发了环氧无锌底漆(non-zinc epoxy primer)，也称为环氧铁红底漆(iron oxide epoxy primer)。由于不含锌，热加工时无氧化锌烟尘产生，对面漆也无选择，并且具有良4好的耐溶剂性和化学稳定性。防锈性能低于环氧富锌底漆而略高于磷化底漆，室外保养期约为4个月，另外，干性稍差，抛丸预处理流水线作业必须安装烘干设备。

20世纪70年代初出现了无机锌底漆(inorganic zinc primer)，也称无机硅酸锌底漆(inorganic zinc silicate primer)。它以正硅酸乙酯为基料，配以锌粉及其他颜填料、溶剂、助剂等。其固化成膜是依靠正硅酸乙酯吸收空气中的水分水解后缩聚，然后与锌粉及钢材表面活性铁反应生成硅酸锌、铁复合盐类而牢固地附着于钢铁表面。作为车间底漆，具有优良的防锈性能，室外保养期可达6,9个月，而且干性快、力学性能好、耐热性能优异(耐400?)、热加工损伤面积小、耐溶剂性能强，是目前主要的车间底漆类型。

表1 四类车间底漆性能比较

无机锌底漆 性能 PVB车间底漆 环氧无锌底漆 环氧富锌底漆 高锌 中锌 低锌

PVB 主要成分 环氧树脂+氧化铁红 环氧树脂+锌粉 硅酸乙酯+锌粉 典型干膜厚10,15 20,30 20,25 15,20 度/µm

干燥时间 一般 一般 一般 快 快 快 防锈蚀期/月 3,4 3,5 6,9 9,12 6,9 3,6 耐化学品 差 很好 好 优异 很好 很好 耐热破坏 差 一般 一般 好 很好 优异 耐溶剂性 一般 好 好 优异 优异 优异 耐电位性 差 好 优异 优异 优异 优异 焊接性能 一般 一般 一般 一般 很好 优异 切割性能 很好 好 一般 好 很好 很好

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安全与健康 很好 很好 很差 一般 很好 很好

(2) 磷酸锌底漆

磷酸锌底漆是以磷酸锌[Zn(PO)?(2,4)HO]为主要防锈颜料的底漆， 磷酸 3422

锌通过其本身所含结晶水以及环境或底材表面的微量水逐渐水解，生成氢氧化锌和二代磷酸盐离子。这些水解产物形成附着和阻蚀络合物，可使金属表面磷化，形成在阳极范围内特别有效的保护层，白色凝胶状氢氧化锌与底材具有良好的附着力。磷酸锌可与各种漆基相容，生产各种防腐涂料，由于环氧树脂出众的防腐效果以及优异的附着性能，因此环氧磷酸锌底漆在防腐涂装领域有着广泛的应用。

(3) 富锌底漆(zinc rich primer)

富锌底漆是一种高效的防腐涂料，其防腐机理基于金属锌粉对钢材表面的阴 极保护作用。金属锌的电化学活性比铁更活泼(锌的标准电极电位为-0.763V，而铁为-0.409V)，因此，当锌粉足量时，即在钢铁表面形成一层锌粉膜，并与钢铁表面紧密接触，在腐蚀介质的作用下(主要是氧氧、水分等)，便组成锌-铁腐蚀电池，锌为阳极“自我牺牲”被腐蚀，而钢铁作为阴极则受到保护。

金属锌的腐蚀产物-氧化锌(ZnO)呈白色粉末，它同时也对漆膜形成封闭保护作用。

目前国内处防腐界广泛使用的富锌底漆有环氧富锌底漆和无机富锌底漆。

表2 三种富锌底漆性能对比

项 目 水基富锌底漆 溶剂基无机富锌底漆 环氧富锌底漆 表面处理 Sa3级 Sa2.5或Sa3级 Sa2.5级 最大干膜厚度/µm 200 175 80 防腐性 + + + + + + + + + + + 耐热性 + + + + + + + + + + 导电性 + + + + + + + + + + 耐溶剂性 + + + + + + + + + + 附着力 + + + + + + + + + + 配套性 + + + + + + + + + 对施工环境的要求 + + + + + + 施工性 + + + + + + + + + 固化条件/? ?10 -10,40 ?-10(冬用型)

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维修困难度 + + + + + + 经济性 + + + + + + + + 其他 需加喷封闭漆 需加喷封闭漆 不需加喷封闭漆

注:“+”多，表明性能更好。

2、 中间漆

面之间的过渡层，在涂层配套正确的前提下，具有提高层间 中间漆作为底/

附着力的作用。常用的中间漆有云母氧化铁环氧漆和玻璃鳞片涂料。

(1) 云母氧化铁环氧漆

云母氧化铁是α-三氧化二铁，其结晶体呈片状或平板六角形，有较大的径厚 比，径长从几十微米到100µm，厚度仅数微米到数十微米;这些片状粒子在涂膜中交叉排列，层层叠叠(云母氧化铁在涂层中的分布示意图)，切断了外界腐蚀性介质向涂层的通道——毛细孔，从而形成了独特的屏蔽结构，具有极优良的抗介质渗透性，耐酸、耐碱、耐热、耐磨。广泛应用于钢结构桥梁、大型油罐、化工、电站钢结构等防护涂层中间漆。

(2) 玻璃鳞片涂料

玻璃鳞片涂料是以耐蚀树脂为主要成膜物质，以薄片状的玻璃鳞片(glass flake)为骨料，再加上各种添加剂组成的厚浆型涂料。常用的耐蚀树脂主要有乙烯基酯树脂、不饱各聚酯树脂、环氧树脂及聚氨酯树脂等。目前在防腐涂装中应用较多的是玻璃鳞环氧树脂漆。

玻璃鳞片通常为钠碱玻璃类，组成复杂，主要成分为SiO、NaO、CaO等。2

其厚度一般为2,5µm、片径长度为100,3000µm，由于涂层中的玻璃鳞片上下交错排列，使涂层形成了独特的“迷宫”式屏蔽结构。在1mm干膜中玻璃鳞片可交错排列100层，使外界腐蚀性介质渗透至金属基体表面的路径变得曲曲折折，有效延长了渗透时间，大大提高了涂层的抗渗透性与防护寿命。

3、 普通面漆

(1) 醇酸树脂涂料

醇酸树脂是用油料、多元醇、多元酸制备的一种聚酯。醇酸树脂的性能与脂 肪酸含量(油度)有很大的关系。

表3 不同油度的醇酸树脂涂料的性能

油度 脂肪酸含量/% 溶剂 硬度 刷涂性 保光性 泛黄性 短 35,45 芳烃 高 差，要喷涂 优 优

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