鋅粉在防腐中的應用

嚴海錦

江蘇科創金屬新材料有限公司江蘇科成有色金屬新材料有限公司泰州華民鋅品有限公司（江蘇泰州　225300）

綜述

鋅粉在防腐中的應用

嚴海錦

江蘇科創金屬新材料有限公司江蘇科成有色金屬新材料有限公司泰州華民鋅品有限公司（江蘇泰州225300）

主要總結了球形鋅粉和片狀鋅粉在防腐涂料和鍍鋅中的應用，介紹了防腐涂料和鍍鋅的組成和施工工藝，探討了鋅粉的防腐機理、影響防腐性能的因素等。

鋅粉防腐應用

0　引言

鋼鐵長期暴露在風雨、潮濕或被污染的環境中，很容易遭受腐蝕破壞，因金屬的腐蝕而造成的直接損失相當于世界鋼鐵年產量的30%，因腐蝕破壞引發的停工、停產、災難性事故所帶來的間接經濟損失更是難以估量。鋅是一種極易被氧化的金屬，在空氣中被氧化后其表面形成一層致密的氧化膜，能夠補充被保護金屬丟失的電子，優先于被保護金屬而起化學反應，從而保護金屬內部不被繼續氧化。我國每年消耗的500多萬噸金屬鋅中有70%用于鋼材的防腐領域，研制并使用新型耐腐蝕材料，采用涂（鍍）層防腐蝕技術、緩蝕劑防腐蝕技術、陰極保護技術、陽極保護技術，完善制件結構設計以減少鋅資源的消耗等具有重要意義。

耐腐蝕保護是鋼材生產和應用中的重要課題之一，處于腐蝕性環境中的鋼材如果缺乏良好的防腐蝕保護，其使用壽命會大大縮短。目前，用以延長鋼鐵基體使用壽命的方法除了添加磷、銅、鎳、鉻、鈦等金屬材料進行陰極性鍍層外，也可以純金屬鋅粉、鐵粉和合金粉為原料構建復合陽極性鍍層，保護基體金屬免遭腐蝕。對于陰極性鍍層而言，鍍層的完整性及其在腐蝕性介質中的穩定性是決定其耐蝕性高低的關鍵因素，如果陰極性鍍層本身存在缺陷（如孔隙、裂紋、磨損等），其保護作用就會顯著降低，甚至還會加速基體金屬的腐蝕。與陰極性鍍層不同，即使陽極性鍍層本身存在表面缺陷（如孔隙、裂紋等），如果缺陷的尺寸不大，陽極性鍍層仍具有保護基體金屬使其免遭腐蝕的能力。故對于鋼鐵材料而言，最常用的是陽極性鍍層，主要包括鋅鍍層和鎘鍍層。與其他金屬相比，鋅具有獨特的特點，其密度比鐵小、具有良好的耐高溫性和延展性、可與鐵制成合金。不論是球形鋅粉還是鱗片狀鋅粉（鋅片），在應用于涂料、油漆和其他防腐、環保等高性能顏料，鋅鋁合金涂層和鍍鋅領域時，都能以其特有的方式保護基體金屬免遭腐蝕。

1　鋅粉在防腐中的應用

1.1鋅粉在防腐涂料（或油漆）中的應用

1.1.1球形鋅粉在防腐涂料中應用

1920年后，澳大利亞和美國等國家開始研發鋅粉漆，根據基料可分為無機、有機和有機/無機摻合3種類型。在攪拌狀態下，將大量粒徑為19～38 μm的鋅粉溶于一定比例的溶劑、助劑和成膜物質混合物內，形成以硅酸鹽為黏結劑的無機富鋅底漆或以環氧樹脂為黏結劑的有機富鋅底漆，再將底漆涂刷至待防腐工件上，借助成膜物質使底漆成膜固化于工件表面。底漆一方面通過阻止腐蝕介質浸入鋼材而達到防腐效果，另一方面利用富鋅漆實現陰極保護作用。基于犧牲陽極鋅、保護陰極鋼的原理，鋅含量（質量分數，下同）的高低直接影響有機或無機富鋅底漆的防腐性能。隨著鋅粉含量的逐漸增大，涂膜的耐鹽霧單邊腐蝕寬度越來越小，但其柔韌性、附著力逐漸降低。在一般涂層中，聚合物樹脂基料的數量足以包覆涂層中的鋅粉，此時涂層是連續致密的膜；而當涂層中的鋅粉量增加到一定值而使樹脂基料不足以包覆這些顏填料顆粒時，涂層的各項性質均會發生突變。但是，鋅粉含量過高會導致涂層與底材之間的附著力減小，一旦腐蝕介質滲透到鋅粉表面，就會引起鋅腐蝕，鋅粉體積也隨之增大，涂層起泡的可能性變大，其防腐性能就會降低。對于鋅粉含量為87%的富鋅涂料，其耐腐蝕性、附著力、柔韌性等指標均較好。在目前常見的單組分無機硅酸鋅、雙組分無機硅酸鋅、氯化橡膠鋅粉漆和環氧聚酰胺鋅粉漆中，球形鋅粉質量分數均在50%以上。防腐涂料中鋅的腐蝕沉積物對受保護金屬具有屏蔽保護作用，生成腐蝕沉積物的反應如下[1]：

Zn＋2H2O→Zn(OH)2↓＋H2↑

Zn(OH)2→ZnO＋H2O

5ZnO＋2CO2＋3H2O→2ZnCO3·3Zn(OH)2

粒徑為19～38 μm、金屬鋅含量不低于94%的球狀鋅粉是最重要的電化學防銹顏料之一，其技術指標如果具備球晶表面氧化少，光滑、整潔、均勻，活性高，耐蝕性好，分散性好，松裝密度小，其他有害雜質元素（特別是鉛、鐵）含量低等條件，則該鋅粉除可作為醫藥化工催化還原劑之外，70%的用途是作為富鋅防腐涂料的關鍵原料。該鋅粉所配制涂料具有漆膜膜層薄、表面光潔致密，用量少，耐候性和耐蝕性極強等特點，被廣泛應用于不適宜熱鍍和電鍍的大型鋼鐵構件（如大型戶外鋼結構建筑、海洋工程、橋梁、管道等），船舶以及集裝箱等的涂覆。

1.1.2鋅片在防腐涂料或油漆中的應用

隨著地球生態環境問題日益嚴峻，發達國家已經停止或限制使用大部分高溶劑含量的傳統防腐涂料，轉而發展低鉛、節能環保型防腐材料。美國水性涂料產量占國內涂料產量的52%，德國為46%，日本為17%，而作為涂料生產大國的中國僅為8%。因此，生產和使用節能環保型防腐材料已勢在必行。我國防腐涂料也正朝著無毒（或低毒）、無污染、節能、經濟、高效的方向發展。對傳統的球形鋅粉顏料進行改性，采用鋅片（含量不低于60%）作為防銹顏料，與30%～35%水性環氧樹脂、固化劑等配制成富鋅底漆；雖然鋅片用量僅為球形鋅粉用量的1/3，但鋅片涂層的防腐性能是常規球形鋅粉的3～4倍，而且該底漆與基體結合率高、表面光滑，成膜的總質量是常規富鋅漆的50%，符合節能環保防腐的要求。改性水性防腐涂料對其中所用鋅片的主要技術要求是：金屬鋅含量不低于94%，延展平面為10～15 μm，片厚度為0.1～0.3 μm，其他微量元素含量指標需滿足GB/T 6890—2012《鋅粉》中一級品的要求；其使用量需要根據施工要求、防腐材料應用環境和防腐目標等具體情況確定。如果鋅片含量過高，鋅片間孔道增多，腐蝕介質更容易深入涂層內部與鋅片粒子發生作用。實驗和應用證明，底漆中聚氯乙烯含量較低時，涂層表現出較好的耐磨性和抗沖擊性，這種涂層適用于重防腐行業?！镀瑺钿\粉》（2009年）和《鱗片型富鋅底漆》（2011年）國家標準的制訂和出臺，也促進了鋅片在防腐涂料中的應用及其在防腐工業中需求量的增加。

1.2鋅粉在鍍鋅中的應用

1.2.1球形鋅粉在鍍鋅中的應用

工業上之所以大量地使用鍍鋅層，是因為它具有兩層保護涂層：作為防護涂層，它提供了一層堅韌的冶金鋅涂層，完整地覆蓋鋼材，并保護其不受外界環境的腐蝕；即使鍍鋅層出現了破壞和裂縫，鋅層還是能起到保護鋼材的作用。鋅粉在機械鍍鋅、涂膜鍍鋅中得到大量的推廣和應用。

鋼鐵材料的機械鍍鋅是20世紀80年代末在美國發展起來并進入工業應用的表面處理工藝，在高強度緊固件和一些小五金制品、射釘和高強度環鏈中應用比較普遍，可用于替代熱鍍和電鍍，并且可被廣泛用于國家電網改造、高速公路和橋梁建設等工程中。機械鍍鋅是一種在常溫常壓下利用化學吸附沉積、機械碰撞和搓碾作用，使金屬粉在工件表面形成鋅鍍層的工藝。其工藝流程是：清洗工件→加料→建立基層（鋅粉、亞錫鹽溶液、A液）→鍍層增厚（鋅粉、B液）→水拋光→后處理[2]。機械鍍鋅采用的原料無毒性，可實現鍍鋅過程中無工業污染；鍍層厚度可控制在5～100 μm之間，耐中性鹽霧試驗可達300 h以上，鍍后無氫脆和退火軟化現象，能滿足高強度零件的使用要求。鋅粉特性對機械鍍鋅鋅層性能的影響很大[3]，球形鋅粉的粒徑大小（粒徑小于45 μm）、表面形狀、金屬鋅含量和微量元素含量等直接影響鍍層的致密性、鍍層的外觀以及鍍層與基體的結合強度[4]。機械鍍鋅鋅層可依零件的防腐蝕要求選擇適合的鋅層厚度，美國ASTM標準中機械鍍鋅的鋅層厚度范圍為5～135 μm，中國機械部標準中為5～110 μm（11個等級）。

涂膜鍍鋅（亦可稱為冷噴鋅）是一種新型、長效、環保、便捷的鋼結構防腐技術，尤其在鋼結構維修方面表現出突出的優勢，從而拓展了“鋅保護”應用的新領域。涂膜鍍鋅的原料由高純度的鋅粉、包覆樹脂及有機導電樹脂等組成，是以涂裝的方式將鋅粉鍍覆在基體材料表面上的一種材料保護技術，鍍層干膜含鋅量高達96%以上，可實現陰極和屏障式雙重保護。

（1）陰極保護

涂膜鍍鋅鋅層中金屬鋅含量達96%以上，同熱浸鍍鋅、電弧噴鋅等鋅層一樣，該鋅層為鋼鐵提供陰極保護功能。陰極保護主要是通過鋅粉的電化學保護作用來實現，因鋅比鐵活潑，容易失去電子，在前期鋅粉的腐蝕過程中，鋅粉和鋼鐵基材組成原電池。鋅的電極電位（-0.76 V）比鐵的電極電位（-0.44 V）低，因此鋅為犧牲陽極、鐵為陰極，腐蝕電流由鋅流向鐵，鋼鐵便得到了陰極保護，直至鍍層中的鋅被完全耗蝕掉。

原電池中發生的反應為：

陽級：Zn→Zn2++2e-

陰級：Fe→Fe2++2e-（2）屏障式保護

涂膜鍍鋅中的有機樹脂在鋅粉顆粒周圍形成了致密的保護屏障層（鍍層無空隙），可有效地抵御外界水、氧和離子的滲入侵蝕。隨后，涂膜鍍鋅表面的鋅粉顆粒也可與空氣中的二氧化碳、水結合生成ZnO、Zn(OH)2和堿式碳酸鋅，這些產物填滿了鍍層的空隙，形成了一層“自修復”鋅鹽屏障，因而具有更優異的防腐能力。受結構及鋅含量的局限，富鋅漆通常難以形成所需的陰極保護；而熱（電?。﹪婁\（鋁）只提供陰極防護，當鍍層受損后難以修復。

生成Zn(OH)2的反應為：

4e-+O2+H2O→4OH

Zn2++2OH-→Zn(OH)2↓

可見，涂膜鍍鋅具備鍍鋅及普通涂料的雙重優點，能提供陰極保護及屏障保護雙重功能，防腐性能優異；可以常溫便捷施工，將鍍鋅變得如使用油漆一樣簡單，在突破傳統涂料限制的同時，可以達到極佳的長效防腐效果，是替代熱浸鋅、熱噴鋅的最佳防腐技術。

1.2.2鋅片在鍍鋅中的應用

鋅片在鍍鋅中的應用主要體現在達克羅和刁美特等鋅鉻涂層行業。達克羅工藝處理是近年來國內開始應用的防腐涂層工藝，涂層厚度一般為5～10 μm，防銹機理是鋅對基體的受控的電化學壁壘保護作用，鉻酸的鈍化作用，鋅片、鋁片和復合鉻鹽涂層的機械屏蔽遮蓋保護作用，以及鋁抑制鋅的“淘析”作用。與傳統的電鍍鋅相比，鋅鉻涂層的耐腐蝕性能極強，是電鍍鋅的7～10倍；無氫脆性，特別適用于高強度受力件；具有高耐熱性（耐熱溫度300℃）。鋅鉻涂層技術的操作流程為：有機溶劑除油→機械拋光→噴涂→甩干→烘干（60～80℃，10～30 min）→二次噴涂→燒結（280～300℃，15～30 min）→干燥[5]；基體材料為鋼鐵制品及有色金屬（如鋁、鎂及其合金，銅、鎳、鋅等及其合金）。另外，該技術在涂覆過程中無污染，這在金屬表面處理歷史上是一場變革，是當今世界上在金屬表面處理領域富有代表性的高新技術；尤其適用于汽車和摩托車底盤、發動機部件，彈性和管類、腔類的高強度構件；涂層具有高滲透性、高附著性、高減磨性、高耐氣候性、高耐化學品穩定性、無污染性等特點。達克羅涂液涂層外觀為均勻的銀灰色，涂層由鋅片（質量分數為15%～30%）、鋁片（質量分數為5～10%）、乙二醇等惰性有機溶劑、鉻酸等無機酸和增黏特殊有機物組成。涂覆液按上述工藝經300℃左右保溫烘烤生成無定形的復合鉻鹽化合物，覆蓋在母材的表面及鋅片、鋁片的表面，將鋅片、鋁片與鋼鐵基材表面緊密地黏結在一起，鋅片、鋁片之間亦被復合鉻鹽所填充，冷卻后的金屬表面即被覆蓋上了一層很薄的銀灰色達克羅特種防腐涂層。

達克羅涂層的不足是導電性能不理想、表面硬度和抗劃傷能力比其他傳統處理方法略差、不宜用于導電連接的零件（如電器的接地螺栓等）。機械鍍鋅的優點是：工藝操作簡單、能耗低、表面光亮度好、工業加工成本低于達克羅處理。應用于戶外的長期防腐蝕的緊固件鍍層，均是犧牲陽極性質的鋅鍍層，因此鍍層要含有足夠多的鋅，才能確保戶外應用的緊固件具有數十年的防腐能力。

2　結語

金屬與周圍環境中各種介質接觸時，發生化學或電化學反應，從而使金屬材料受到損耗、性能受到破壞的現象，稱為腐蝕[6]。

在長期的實踐中，無論采用哪一類現代防腐蝕技術，從本質上講，其防止或減緩金屬腐蝕的原理均在于破壞形成腐蝕必須滿足的條件或減緩電化學腐蝕過程進行的速率。鋅粉的特性使其成為重要的防腐材料并得到廣泛應用。

中國擁有比較豐富的鉛鋅礦等資源，近年來，鋅粉的制備和防腐技術的開發與應用，以及有機硅、氟碳、稀土和石墨烯等材料配制的重防腐涂料研制和粉末材料制造業的發展，在減少不可再生資源消耗的同時，也可為耐腐蝕保護提供了新的防腐技術和材料。

[1]顧根福.鋅粉漆綜述[J].上海涂料,2005,43(7/8)：39-43.

[2]陳菡.鍍鋅防腐工藝[J].鋼鐵,2007,42(7)：38-42.

[3]李鐵龍,楊新岐,姜海龍,等.鋅粉特性對機械鍍鋅層性能的影響[J].材料保護,2005,38(11)：14-16.

[4]王勝民,何明奕,趙曉軍,等.機械鍍鋅用鋅粉的選擇[J].電鍍與涂飾,2007,26(6)：48-50,54.

[5]丁金城,趙增典,于先進,等.達克羅涂覆過程中常見的問題及其處理方法[J].材料保護,2004,37(3)：55,59.

[6]方震,李清湘.鋅粉、鋅片與重防腐[J].上海涂料,2009, 47(8)：39-42.

Application of Zinc Powders in Anti-corrosion Field

Yan Haijin

The applications of spherical zinc powders and zinc flakes in anti-corrosion coatings and galvanization are summarized.Besides,the compositions and operation technologies of anti-corrosion coatings and galvanization are introduced.Furthermore,the corrosion-resistant mechanism of zinc powders and factors influencing the anti-corrosion performance are discussed.

Zinc powder；Anti-corrosion；Application

TG179

嚴海錦男1978年生本科高級經濟師高級工程師主要從事金屬冶煉、金屬新材料粉體制備及其技術研究工作

2015年11月