水性環氧富鋅底漆在設備維保中的應用

黃河，潘紅，張宇，魏林江

（重慶海聯水性涂料有限公司，重慶 400000）

1 背景

富鋅底漆可定義為鋅粉（球形、層狀或兩者組合）分散在耐皂化有機物（通常為環氧樹脂）或無機成膜物（通常為硅酸鹽）中，通常以鋅粉為主要構成物的防護漆。環氧富鋅底漆因其能過保護金屬銹蝕，且能在有輕微機械損傷的工件上使用的獨特性能，自20世紀30年代起，被廣泛應用于各種腐蝕性環境，特別是鋼結構中，已得到廣泛應用。

溶劑型環氧富鋅底漆其VOC含量高，對大氣環境污染非常嚴重，與當前的“青山綠水，就是金山銀山”的環保政策嚴重不吻合。正是基于既要追求防腐效果，又同時不能破壞空氣環境的大背景，水性環氧富鋅底漆應運而生。作為一種優異的防腐涂料，水性環氧富鋅底漆具有良好的防銹性、焊接性、高機械性能、低維護成本等，因此，其應用領域非常廣泛，可用于集裝箱的涂裝，也可用在鐵路車廂、海上平臺、船舶、槽罐和管道內壁等金屬材質的物件上面，同時又可作為車間底漆使用，市場空間和前景非常廣闊。

2 水性環氧富鋅底漆防腐蝕機理

受新冠疫情的影響，再加上俄烏戰爭等突發因素的影響，化工原材料，尤其是鋅粉的價格飛漲，因此，在原材料高價位情況下，水性環氧富鋅涂料，如何去開發？現在是促進大家去開發低鋅含量的，高性能的結合，原來的富鋅涂料無論是有機富鋅還是無機富鋅都是采用單一的犧牲陽極的防腐原理，這是時代決定的，防腐不錯，鋅粉又便宜，而且鋅粉含量大家的認識是越高越好，干膜里要求鋅粉不低于80%，有的不低于90%，完全靠犧牲陽極辦法，成本太高。

富鋅涂層對鋼鐵金屬材質的防護主要包含兩種機理：屏蔽效應和電偶作用。涂層本身具有對鋼質底材與使用環境的物理隔斷屏障，其中高含量的鋅粒子之間發生電接觸，產生的孔隙可使水進入到漆膜中，和鋼材表面形成一個導電回路，進而提供電極保護。除以上的電偶作用和阻隔效應外，另外兩種效果在防腐蝕方面也是確定有益的：（1）鋅粉對氧氣的吸收；（2）反應產物Zn（OH）2和ZnCO3可填入孔中，其堿性導致表面鈍化；或者，反應物可形成水和氧的屏蔽層，從而保持持續的防護效應。

富鋅涂料要達到電極保護，進而起到防腐效應，必須同時滿足以下3個條件：

（1）漆膜中的鋅粉粒子之間必須相互電接觸。

（2）鋅粉粒子必須與鋼材質本身進行電接觸。

（3）鋅粉粒子和鋼材質之間必須存在連續的電解液。

富鋅涂層的防護作用主要可分為兩個階段。第一階段相對較短，主要是鋅粉對鋼材質進行電偶保護。在這段時間之后，鋼材質和鋅粉粒子之間的電偶作用會逐漸消失。第二階段則相對較長，是一個長期的屏障阻隔保護，其原因是：①由于鋅腐蝕產物堵塞了涂層中的孔隙，涂層對水、氧和鹽等侵蝕性物質的滲透具有更大的抵抗力；②鋅腐蝕產物對鋼材質表面的抑制作用。

電極保護作用通常會隨著時間的推移而減弱，最終失去電極保護。這是由于：①鋅粉腐蝕和界面處形成的非導電腐蝕產物會導致鋅粉和鋼質材質之間失去電接觸；②鋅粉表面形成的腐蝕產物，也會導致鋅粉粒子之間的電接觸消失；③鋅產生的腐蝕產物將涂層表面堵塞住。然而，富鋅底漆在后期的電極保護作用是仍然潛在存在的，并且在漆膜機械損壞或腐蝕產物的阻隔效應被化學去除后，可能會隨時激活?，F實生活中，金屬所處環境的是多樣和復雜的，因此，最終導致金屬腐蝕原因也各不相同，但從大方向上的原理來，主要有金屬的化學腐蝕與電化學腐蝕，概括起來包括3個方面：

（1）犧牲陽極機理：根據電化學腐蝕理論，在腐蝕電池中，負電位的陽極總是被腐蝕。當腐蝕介質侵入形成的漆膜時，Zn，Zn2+‖Fe2+，Fe的腐蝕原電池就會形成。因此，鋅粉與鋼材之間形成了鋅粉失去電子（陽極）、鋼材獲得電子（陰極）的原電池。通過腐蝕鋅來形成對鐵的保護?；瘜W反應式如下：陽極區：陰極區：

（2） 屏蔽機理：普通防腐涂料雖然也有屏蔽作用，但水性環氧富鋅底漆與普通防腐涂料的屏蔽作用相比，有自己的特點：首先，遇到腐蝕性介質時，表面的鋅粉鍍層被腐蝕后，產生的腐蝕產物可以填充和覆蓋鍍層中的孔隙和缺陷，形成致密的鈍化保護膜；其次，水性環氧富鋅防腐涂料中含有鋅粉。在涂膜干燥過程中，鋅粉特別是片狀鋅粉有平行于基材表面的趨勢，形成多層阻隔結構。這不僅對腐蝕介質構成了屏障，而且客觀上增加了漆膜的厚度，延長了腐蝕介質的有效滲透路徑。將其劃分為許多小區域，使漆膜中的微小氣泡、微小裂紋、分支孔相互隔開，從而有效地抑制了腐蝕介質的擴散，進一步起到了更好的屏蔽作用。

漆膜中鋅片層層堆疊緊密排列，形成迷宮一般的曲折路徑，微小磷鐵粉和納米級正磷酸鐵等防腐填料的摻入降低了涂層的孔隙度，腐蝕介質無法沿著片層從邊緣滲入，耐腐蝕性能得以增強。

圖1 屏蔽示意圖

（3）漆膜的自修補機理：“自修補”作用是水性環氧富鋅底漆的一大特點。即使涂層有缺陷或者因機械外力而損傷，只要破損面積在一定范圍內，由于鋅粉的搭接涂層具有導電性，流向損傷部位處的電流仍起到保護作用，如圖2所示。

圖2 自修補示意圖

如圖2所示，當涂層的某些部位發生機械損傷或缺陷時，大量鋅粉互相搭接保證了導電性，損傷和缺陷處會流過保護電流，同時，鋅粉的腐蝕產物沉積在裸露的鋼材表面，形成保護層。形成的保護層可以防止水、氧氣、離子等腐蝕性介質與保護層下的物質接觸，起到物理阻隔作用，防止鋅和鐵被進一步氧化導致鋅粉被消耗。當涂層再次受到機械損傷時，剩余的鋅粉又可以繼續發揮陰極保護作用。如果陰極保護在受損部位形成的保護層受損，使其無法與周圍的鋅粉接觸，則電位差無法恢復，最終鋼表面會被腐蝕。

3 實驗部分

基于以上機理作為指導，我們設計了大量的富鋅底漆配方，并從中篩選出性能最為優異者，配方基本構成及用量見表1。

表1 配方表

4 結果與討論

由于水性富鋅底漆與溶劑型富鋅底漆最大的區別僅為分散介質的改變，二者從防腐機理的角度上來說是一致的，故防腐性能上沒有明顯差異。都是通過高鋅粉含量在被防護件上形成一層陰極保護鋅層，只要富鋅底漆中鋅含量足夠，就可以長效的保護基材不被腐蝕。

4.1 水性環氧樹脂的選擇

一般來說，水性環氧涂料固化充分與否以下3個要素是關鍵，即：①環氧樹脂分散相的粒徑；②樹脂與固化劑的相容性；③水性樹脂本身成膜時間的快慢。因此，正是基于以上因素，通常，設計配方時，首先會選擇粒徑較小的水性環氧樹脂，當環氧樹脂分散相的粒徑較小時，粒子表面能夠保持較為適宜的固化劑濃度，固化速度不至于過快。在這種情況下，固化劑分子才能夠完全擴散，有足夠的時間與所有環氧樹脂的分散相粒子接觸，使得固化完全進行，從而才能夠讓可以讓涂層固化得均勻平整。另外，環氧樹脂與固化劑的相容性好壞決定了固化劑在環氧樹脂中擴散的程度高低，相容性越好，擴散得越徹底，就越有利于固化反應的完全，而涂層體系的穩定性也隨之進一步提高。再者調配好水、反應成膜物以及助溶劑的比例，使主體成膜物完全成膜之前，水份能盡可能揮發出來，減少后期水份揮發出來導致的漆膜不致密，從而增強水性富鋅底漆的綜合耐性。

4.2 水性固化劑的選擇

作為水性環氧富鋅底漆中的關鍵組成部分，固化劑的選擇對于涂層性能有著至關重要的影響。從分子角度上來看，水性環氧富鋅底漆是一個可以分為分散相與連續相的多相混合物，環氧樹脂在其中作為分散相，而固化劑則作為連續相，涂層的固化過程由分子擴散控制；首先在分散相與連續相接觸的相界面處發生固化反應，在環氧樹脂表層的黏度逐漸增大的同時，固化劑也會逐步地向環氧樹脂中擴散，環氧樹脂的固化過程進一步完成。選擇粒徑小的環氧樹脂乳液以及與環氧樹脂的相容性好的固化劑都有助于分子擴散這個過程，從而可以獲得固化更加完全，防腐性能更加優良的涂層。在選取固化劑時，應考慮到水性環氧富鋅底漆以水作為分散介質這個特點，選擇水性的、能夠良好分散在水中的種類。同時，選擇的固化劑種類應與環氧樹脂可以形成穩定的水性乳化體系，保證整個體系的流變性、可使用活化時間、固化工藝等均滿足規定的性能指標。

4.3 鋅粉的選擇

鋅粉是水性環氧富鋅底漆的重要組成物，鋅粉在防腐涂料中起到屏蔽作用、陰極保護作用和“自修補”作用。鋅粉的形態主要為粒形或片形；依照粒徑，又可區分為不同的目數。

不同形態的鋅粉不僅在物理性能上存在差異，將其添加到在涂層中形態的差異也會導致其排列方式不同，通常片狀鋅粉會在涂層中呈片片堆疊的平行交疊排列狀，而粒狀鋅粉會趨于聚集，呈現堆積的狀態。這些差別將會對涂料的穩定性以及涂層的耐腐蝕性能產生非常明顯的影響。

圖3 不同粒徑鋅粉的析水量

而鋅粉的粒徑則與析水量相關聯，鋅粉粒徑越小，析水量越小。片狀鋅粉在漆膜中呈現層層堆疊的致密排列形態，形成了迷宮一般的“曲折路徑”，這有效減緩了水以及其他腐蝕介質對涂層的滲透；同時，由于形態上的不同，片狀鋅粉擁有遠大于球狀鋅粉的比表面積，在涂層中形成相互搭接的概率大大提高，從而提升了涂層的電導率，對基材的陰極保護以及“自修復”能力也更為優異。另外，在使用面積和防腐性能相持平的情況下，片狀鋅粉的用量不到球狀鋅粉的一半，僅約1/3，所以確定鋅粉采用片狀性價比更高。

除形態外，鋅粉粒徑大小，對漆膜的防腐性能也有很大的影響，具體見表2。當鋅粉過于粗時，由于屏蔽和致密性等影響，會導致耐鹽霧性稍差。通常，以鹽霧為代表的防腐性能，是隨著鋅粉粒徑的變化而變化，一般目數越大，耐鹽霧性能越好，但價格也會越貴。在結合性能和成本等因素的綜合考慮下，通常會選擇800目鋅粉進行后續配方的研發。

表2 常見水性富鋅底漆性能指標

表3 鋅粉粒徑對漆膜性能的影響

4.4 防銹顏料的選擇

如4.3小節中所述，在水性環氧富鋅涂料中，片狀鋅粉的防銹效果最為突出。但鑒于成本和涂膜致密性有等因素的考慮，通常配方中也會加入不同的顏料和填料。例如，添加10-20%的磷酸鐵可提高焊接性，添加少量的炭黑以增強導電性，加入紅色或黃色的氧化鐵來進行調色。加入少量的氧化鈣來減少鋅粉與水或酸的反應，進而抑制氣體的產生。另，氧化鋅，添加到富鋅涂料中大約20%的水平時，已經被發現在附著力難涂裝的鍍鋅鋼材具有特別的價值，氧化鋅還具有保持涂層柔韌性的作用。維護氧化鋅的機械性能主要歸因于其對紫外線光的吸收和它反應消耗掉具有催化光降解作用的有機分解產物。

4.5 環氧基與胺氫當量比

另一個對于性能影響非常明顯的因素即是環氧樹脂與固化劑的質量比。一般來說，會采用環氧基：胺氫＝1:1的配比原則來配置水性環氧富鋅底漆，但當對漆膜的某些性能有更高要求時，也可以通過在適當范圍內改變環氧樹脂與固化劑的配比來實現。表4展現了不同環氧樹脂與固化劑當量比對于涂層性能的影響。

表4 富鋅底漆性能

表4 不同環氧與胺配比漆膜性能比較

5 結語

水性環氧富鋅底漆以水作為分散介質，具有環保、安全、使用方便等突出優點，契合當今綠色健康的發展理念，同時其保留了溶劑型底漆高耐腐蝕、高硬度、低收縮的性能特性，對于防腐涂料來說，水性涂料是大勢所趨。當前，國內外大量廠商均已開展對水性環氧富鋅底漆的開發研究，并且部分已成功取得成果，應用于實際，在集裝箱運輸領域更是成為主流應用產品，其施工工藝和環境適應性以及配套性都較優異。由于水性底漆不燃無毒，所以其在石油儲罐、室內鋼結構等防腐應用場景中有著比溶劑型底漆更為廣闊的應用前景。