1·富鋅涂料的發展歷程

 

    19世紀40年代，法國人開發出了熱浸鍍鋅工藝，但其存在污染大、能耗高等問題。20世紀30年代，美國等國家的研究人員成功地開發了無機富鋅涂料，把鋅粉添加到水玻璃中制備而成，但其有一個致命的缺陷是需要高溫烘干固化［4-5］。20世紀50年代初，后固化型無機富鋅涂料在美國研制成功，在高模數的硅酸鈉中添加鋅粉配制而成，使用時需要在其表面噴淋酸性固化劑進行固化。由于它不需要高溫烘干固化，使用比較方便，因此開始了廣泛使用。20世紀60年代，在我國的鐵路鐵軌建設中開始大量推廣使用這種后固化型無機富鋅涂料，效果明顯。20世紀70年代末，醇溶型自固化無機富鋅涂料［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鹽酸的催化作用下水解縮聚而得到。這種富鋅涂料干燥迅速，噴涂之后自行固化，無需后期繁瑣的固化操作，非常容易施工。

 

    20世紀40年代同時也產生了一種全新的與無機富鋅涂料成膜機理完全不同的有機富鋅涂料，研究人員將鋅粉添加到某些有機高分子材料中，其防銹效果非常顯著。有機富鋅涂料的成膜物質為高分子聚合物，如聚苯乙烯、環氧樹脂等。聚酰胺固化環氧樹脂有機富鋅涂料是使用最廣泛的一種，它有相當良好的防銹性和適應性。環氧富鋅涂料對基材表面處理程度要求不是那么苛刻，涂膜附著力強、硬度高，一般作為底漆使用，與其他面漆的相容性也很好，是現在生產使用最多的一個涂料品種。

 

    2·富鋅涂料的分類

 

    富鋅涂料的成膜物質多種多樣，據此可以將其分為無機型和有機型兩類（表1）。

 

 

    表1 富鋅涂料的分類及其性能簡述

 

    2.1 無機富鋅涂料

 

    無機富鋅涂料的成膜物質為硅酸鹽、磷酸鹽等無機聚合物。這些成膜物質與涂料中的鋅粉發生絡合反應，在金屬基材的表面生成致密的保護膜。無機富鋅涂料可以分為水性和溶劑型兩類。

 

    水性無機富鋅涂料主要由硅酸鈉、硅酸鉀等水性硅酸鹽樹脂以及鋅粉、助劑等組成［8］。根據其固化形式的不同，可以分為后固化與自固化兩類。后固化型無機富鋅涂料施工較為復雜，涂膜較脆，容易開裂，涂層干燥需要噴霧固化劑（如稀磷酸或氯化鎂溶液）。自固化型無機富鋅涂料無需加熱或者噴霧固化劑，它的成膜機理是：含有的硅酸鹽在與大氣中的CO2、水分接觸下發生水解反應，隨后與鋅粉交聯聚合生成含鋅高聚物膜，在金屬表面形成保護層。由于水性自固化無機富鋅涂料固化速度快、漆膜硬度高、施工方便，因而在市場上很常見。

 

    溶劑型無機富鋅涂料的成膜物質一般為正硅酸乙酯等易溶于有機溶劑的物質。刷涂涂料之后，隨著溶劑的揮發，其中的烷氧基由于吸收環境中的水分發生水解，隨后發生固化形成高分子硅氧烷聚合物。

 

    這種聚合物呈網狀而且相當致密，從而能夠形成很好的保護膜。

 

    2.2 有機富鋅涂料

 

    有機富鋅涂料的成膜物質主要是有機類合成樹脂。有機富鋅涂料的主要成分有成膜樹脂、鋅粉、助溶劑［9］等，還可添加一些填料改善其性能。常見的如環氧樹脂富鋅涂料，它需要添加聚酰胺樹脂進行固化；其它有機富鋅涂料，如氯化橡膠富鋅涂料和聚氨酯樹脂富鋅涂料等。不過由于氯化橡膠等富鋅涂料的耐久性、耐熱性不如環氧類富鋅涂料，所以在實際生產中，數環氧類富鋅涂料應用最廣泛。由于環氧富鋅涂料對金屬的表面處理程度要求不高，適應性較好，一般作為多道涂層系統中的防銹底漆與其它面漆配合使用。

 

    3·富鋅涂料的防腐蝕機理

 

    富鋅涂料的防腐蝕作用機理有3個：前期犧牲陽極的陰極電化學保護作用；后期鋅粉腐蝕產物形成堵塞涂膜孔隙的物理屏蔽作用；涂膜的自修補和鈍化作用。

 

    3.1 鋅粉的電化學保護作用

 

    在腐蝕電池體系中，始終是電極電位更低的陽極受到腐蝕。Zn的標準電勢（-0.762V）比Fe的標準電勢（-0.440V）更低，所以當水分侵入涂膜時，在涂膜與鋼鐵之間會形成一個原電池體系。隨著電子得失的轉移，鋅在陽極失電子被腐蝕，鋼鐵在陰極得電子而受到保護。

 

    鋅粉在涂層中起到了十分關鍵的作用，必須在涂膜中保持一定的含量，這樣電化學保護作用才能持久。涂層、鋼鐵基材之間的腐蝕電池體系中，電子轉移要保持通暢不能受阻，否則保護作用會受影響。鋅粉含量需保持適量，不能過多也不能過少，一般占到干膜質量的80%左右時效果最佳［10］。鋅粉含量過多，漆膜可能會起泡，此時涂層孔隙變大，保護作用會受到較大影響；如果涂膜中鋅粉含量過少，在成膜物質的包覆之下鋅粉與鋼鐵表面不能有效接觸，電子轉移受阻，電化學作用失效，同時也有可能造成鋅粉脫落而不能發揮作用。

 

    3.2 物理屏蔽作用

 

    生成腐蝕產物，堵塞涂層孔隙、彌補缺陷，這是富鋅涂料物理屏蔽作用的主要原理。鋅的腐蝕較為復雜，可分為吸氧和析氫腐蝕，腐蝕產物隨環境中介質的不同而不同。涂層電阻較大，鋼鐵表面與腐蝕介質的接觸將會被有效地阻斷。在無機富鋅涂層和有機富鋅涂層中，腐蝕產物起到的作用略有差別，除了能夠堵塞涂層孔隙之外，腐蝕產物還能將無機富鋅涂層進一步連為一體。

 

    3.3 涂膜的自修補作用

 

    漆膜因外力受損傷后，金屬基材露出，裸露處會有腐蝕電流通過，因而鋅的腐蝕產物就會在那里生成，長時間之后會形成保護膜層，這就是涂膜的自修補作用。涂膜自愈合的寬度大約是6mm［11-12］。

 

    4·無機富鋅涂料與有機富鋅涂料的性能差別

 

    無機富鋅涂料與有機富鋅涂料相比，在有些性能方面占有一定優勢，如耐腐蝕性和施工安全性更佳；但不足之處是基材的前期表面處理要求嚴格，漆膜固化容易受空氣溫度、濕度等環境因素的影響。其漆膜硬度略差、容易開裂，與其它面漆配合使用的相容性較差［13］。

 

    有機富鋅涂料由于涂膜中含有機物質，在電焊施工時，可能會產生微細鋅煙霧、有機氣體等有害物質，不利于環保。但其優點也很多：施工操作簡便，對基材的前期處理程度要求比無機富鋅涂料低得多；涂膜附著力強、硬度高，不易開裂受損；與其它面漆配合使用相容性好。

 

    5·富鋅涂料的研究展望

 

    環保問題日益受到人們的重視，所以環保型涂料將是未來涂料發展方向之一。開發低污染甚至無污染的高效復合型多功能涂料，將是富鋅涂料的總體發展趨勢�？梢钥紤]如何在保持富鋅涂料優點的基礎上，克服彌補其調制困難、施工不便、干膜機械性能差、硬度不足等弊端，以及降低鋅粉含量、減少污染等缺陷與不足之處。富鋅涂料未來的研究方向可以從以下幾點著手：

 

    （1）對富鋅涂料用樹脂進行改性、互穿網絡化等處理，降低鋅粉的含量，使涂層既能夠保持良好的防腐蝕性，又具有較好的表面效果，使富鋅涂料具有“底面合一”的功能。

 

    （2）富鋅涂料在噴涂前期對基材的表面處理程度要求十分嚴苛，非常不方便�？稍谄渲屑尤牖�銹劑、穩銹劑等活性顏料，把活性的銹蝕惰性化，使其呈較穩定的狀態，這樣就可以對銹蝕較輕的基材直接進行涂裝，無需事先除去表面銹蝕，噴涂操作將大大簡化。

 

    （3）當前主要是把富鋅涂料作為單一涂層來研究，而實際生產中富鋅涂料大多都只是作為多道涂層體系中的底漆來使用，所以富鋅涂料作為多體系復雜涂層中底漆的防銹功能以及與其它面漆配合使用的相容性問題等都值得好好探究。