楊振波 李運(yùn)德 師華

    中國一航北京航空材料研究院，北京，100095

    摘要：介紹了目前低表面處理涂料(Surface Tolerant Coatings，俗稱帶銹涂料)各種技術(shù)的主要特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r。提出厚漿型長效防腐低表面處理涂料與水性低表面處理涂料將是該類涂料發(fā)展的重要方向。

    關(guān)鍵詞：低表面處理涂料；帶銹涂料；防腐

    中圖分類號：TQ630.71 文獻(xiàn)識別碼：A

    1 引言

    為了防止鋼鐵腐蝕，人們在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中開發(fā)了許多防腐蝕方法，在眾多的防腐蝕方法中，以涂料涂裝防腐技術(shù)最為經(jīng)濟(jì)方便，因此得到了廣泛應(yīng)用。在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐涂裝前，為了保證涂層的防腐質(zhì)量，必須對鋼鐵進(jìn)行徹底的噴砂前處理，等級通常要達(dá)到Sa2½級。這對于整個工程施工來說，提出了極高的要求：1）噴砂需要專用設(shè)備，耗費(fèi)大量磨料，使工程造價提高，通常占到整個工程的30~40%；2）對于復(fù)雜作業(yè)面的結(jié)構(gòu)死角不能進(jìn)行徹底的處理；3）會造成強(qiáng)烈的粉塵和噪聲污染；4）噴砂會造成鋼結(jié)構(gòu)的減薄，使其強(qiáng)度降低，尤其是在舊鋼結(jié)構(gòu)的防腐維修中，這一點(diǎn)需特別注意。

    另一方面，近年國內(nèi)外有大量海上采油平臺、已建橋梁、電塔、體育館等鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入了維修期，需要對舊有涂層進(jìn)行重新涂裝。而在這些已建鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行噴砂前處理的難度非常之大，其涉及環(huán)境保護(hù)，施工難度，工程維修造價等各個方面。因此，國內(nèi)外多采用手工除銹對這些舊鋼構(gòu)進(jìn)行表面處理。此外，在船舶制造與維修領(lǐng)域，隨著世界各國對工人勞動保護(hù)的要求越來越高，高壓水除銹和濕噴砂工藝正逐步取代傳統(tǒng)的噴砂工藝，對艦船內(nèi)部特別是封閉環(huán)境的鋼材表面進(jìn)行前處理。

    采用手工除銹、高壓水除銹及濕噴砂除銹工藝后的鋼材表面很難達(dá)到Sa2½級的要求，經(jīng)處理過的鋼鐵表面往往帶有銹蝕和水，甚至油。鑒于此原因，開發(fā)對涂裝前鋼結(jié)構(gòu)表面處理要求等級較低的低表面處理涂料（SurfaceTolerantCoatings），特別是高性能的厚漿型長效防腐低表面處理涂料與水性低表面處理涂料，是目前涂料研究開發(fā)的熱點(diǎn)，也是未來涂料的發(fā)展趨勢。

    2 低表面處理涂料技術(shù)的基本原理

    鐵銹是一種疏松多孔的含水固體，其外層是浮銹，與底材附著不牢；內(nèi)層是牢銹，與底材緊密結(jié)合。從組成上看，是穩(wěn)定無害的鐵氧化物（Fe3O4，F(xiàn)e2O3，α-FeOOH）和活潑有害的鐵化物(γ-FeOOH，F(xiàn)e(OH)2，F(xiàn)eO，F(xiàn)e(OH)3)的混合物。因此，低表面處理涂料除了必須具有一般防銹涂料的性能之外，還必須具備兩個特殊的條件，一是低表面處理涂料對銹層必須具有足夠的滲透能力，即能充分浸潤、滲透整個疏松多孔的銹層，使鐵銹粘結(jié)成為連續(xù)的封閉性涂層，以封閉整個銹層和鋼鐵表面；二是低表面處理涂料對銹層必須有足夠的反應(yīng)性，即能使銹層中活潑有害的鐵化物經(jīng)過鈍化、轉(zhuǎn)化，變成穩(wěn)定的無害的填料。只有具備這兩個條件，才能適應(yīng)銹層這樣的特殊表面。

    基于上述理由[1,2]，低表面處理涂料的基本原理是采用滲透性較好的樹脂為基料，借助于滲透劑、極性溶劑的配合，使涂料具有好的滲透性，從而浸潤和滲透銹層，并將其封閉。另外，依靠涂料中樹脂的反應(yīng)基團(tuán)、活性顏料或鐵銹轉(zhuǎn)化劑與銹層中活潑有害的成分反應(yīng)，生成穩(wěn)定的抑制化合物，從而使整個銹層成為穩(wěn)定的保護(hù)膜。

    3 低表面處理涂料技術(shù)的基本類型

    傳統(tǒng)的高VOC溶劑型低表面處理涂料（俗稱“帶銹涂料”）的開發(fā)較早，早在上世紀(jì)七十年代，國內(nèi)外就開發(fā)出了一系列該類涂料。歸納起來大體可分為四類[3,4]：滲透型、穩(wěn)定型、轉(zhuǎn)化型，以及近年來新出現(xiàn)的功能型低表面處理涂料。

    3.1 轉(zhuǎn)化型低表面處理涂料

    也叫反應(yīng)型帶銹涂料。這類涂料中，不含成膜物質(zhì)則被稱為銹蝕轉(zhuǎn)化劑，由于沒有成膜物質(zhì)，所以還需要另外加上底漆；如含有成膜物質(zhì)則稱為銹蝕轉(zhuǎn)化底漆。銹蝕轉(zhuǎn)化劑不是涂料，只是和銹層惰性化后，使在其之上的底漆發(fā)揮出保護(hù)作用。

    銹蝕轉(zhuǎn)化底漆，由于含有成膜物質(zhì)，既能使銹蝕轉(zhuǎn)化成惰性物質(zhì)，又能封閉銹蝕與外界隔絕，是一種使銹蝕層成為堅(jiān)實(shí)的惰性的并能良好的附著于鋼鐵表面的涂料。該類涂料的主要機(jī)理是依靠涂料中的銹蝕轉(zhuǎn)化劑把活潑的鐵銹轉(zhuǎn)化為無害或具有一定保護(hù)作用的絡(luò)合物或鰲合物而達(dá)到帶銹涂裝的目的。轉(zhuǎn)化型帶銹涂料一般都采用磷酸——丹寧酸，使銹層轉(zhuǎn)化成不溶性穩(wěn)定的磷酸鐵、丹寧酸鐵鹽，而起到保護(hù)作用，但酸的使用量難以掌握，如磷酸過量就會促進(jìn)腐蝕，其后患無窮。同時轉(zhuǎn)化型帶銹涂料含有較少的成膜物質(zhì)，使用時最好要與其它底漆配合，即在涂裝轉(zhuǎn)化型帶銹涂料之后，再涂以其它底漆，否則效果極差。因此，轉(zhuǎn)化型帶銹涂料的使用務(wù)必慎重。而國內(nèi)早期開發(fā)的低表面處理涂料大多屬于該類型涂料。轉(zhuǎn)化型低表面處理涂料通常不能單獨(dú)使用以保證長效防腐，通常還需要涂上面漆。

    3.2 穩(wěn)定型低表面處理涂料

    穩(wěn)定型低表面處理涂料的基本原理主要是依靠涂料中樹脂的反應(yīng)基團(tuán)、活性顏料與銹層中活潑有害的成分的反應(yīng)，生成穩(wěn)定的抑制化合物，從而使整個銹層成為涂料中穩(wěn)定型的具有保護(hù)性的填料成分。典型的穩(wěn)定型帶銹涂料采用鉻酸鹽、磷酸鹽等活性混合顏料，它們水解而產(chǎn)生相應(yīng)得鉻酸根和磷酸根，形成雜多酸。該雜多酸與銹層內(nèi)活潑的鐵銹酸FeOOH生成雜多酸類的絡(luò)合物，從而對鐵銹起穩(wěn)定作用。使用最多的活性顏料包括：鉻酸鋅、鉻酸鋇、鉻酸鈣、氧化鋅、磷酸鋅、三聚磷酸鋁、有機(jī)氮堿鉻酸鹽，有的配方還添加亞硝酸鈉，也有資料認(rèn)為加入鉻酸鍶是必要的。鉻酸鹽顏料水解生成陰離子，有機(jī)氮堿鉻酸鹽水解后可生成氮堿離子基團(tuán)。兩者均由吸收活性鐵酸銹的作用。氧化鋅調(diào)整pH值，鋇、鈣離子與環(huán)境中的二氧化硫生成的酸根結(jié)合為難溶的鹽，這些綜合作用使鐵銹趨于穩(wěn)定。

    3.3 滲透型低表面處理涂料

    滲透型低表面處理涂料的基本原理是采用滲透性強(qiáng)的樹脂作為漆基，借助于滲透劑、極性溶劑的配合，使涂料具有良好的滲透性，從而可以浸潤和滲透鋼鐵表面銹層并把銹層封閉。它可有效地將銹蝕和外界腐蝕因子隔絕，增強(qiáng)銹蝕層與鋼板、銹蝕層與涂層、涂層與鋼板間的附著力。

    3.4 功能型低表面處理涂料

    近年來，開發(fā)的新型低表面處理涂料結(jié)合了轉(zhuǎn)化型、穩(wěn)定型、滲透型的特點(diǎn)，同時對樹脂結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步的改進(jìn)，基料中含有能與銹層中殘存的水反應(yīng)的樹脂，有效地除去并利用腐蝕因素。如采用用酮亞胺作潛固化劑，

更能使涂料滲透，增加進(jìn)入銹蝕層的深度，同時酮亞胺能與存在于銹層中的水分迅速起反應(yīng)，分解成為環(huán)氧樹脂真溶劑的酮和作為固化劑的一級胺。一級胺再與環(huán)氧樹脂進(jìn)行充分的反應(yīng)，使環(huán)氧樹脂很好的滲透到銹層中，形成對外部腐蝕介質(zhì)有很強(qiáng)覆蓋能力的高交聯(lián)涂膜，并把銹層固定，而且在環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)中生成的酮類與有機(jī)溶劑和銹層中的水分一起揮發(fā)掉，不產(chǎn)生氣泡，從而發(fā)揮了優(yōu)異的防蝕性能。

    某些功能型低表面處理涂料具有帶油涂裝的功能[5]。由于油分子基本上是烷烴類有機(jī)物，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，常溫下很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而清除，因此只能采用“相似相溶”原理對其進(jìn)行處理，即采用與油能起絡(luò)合乳化作用的基料和添加劑、固化劑將其從鋼板上剝離下來，作為增塑劑混在涂層中。而與油分子具有較好混容性的易揮發(fā)溶劑在揮發(fā)過程中也可帶走一部分油分子。常用的材料有OP系列表面活性劑，磺酸鹽和硫酸鹽類表面活性劑、ZH-1、CD32溶油性環(huán)氧固化劑、腰果殼油改性環(huán)氧固化劑等。

    4 低表面處理涂料技術(shù)的發(fā)展趨勢

    由于對生存環(huán)境要求的提高，環(huán)保意識的加強(qiáng)和深入，社會上迫切需要低公害或無公害的低表面處理涂料，同時人們對低表面處理涂料的防腐性能也提出了更高的要求。在這種情況下。國內(nèi)外加強(qiáng)了對厚漿型長效防腐低表面處理涂料與水性低表面處理涂料的研究與應(yīng)用。

    4.1 厚漿型長效防腐低表面處理涂料

    美國Tapecoat公司的滲透型厚漿環(huán)氧鋁粉低表面處理涂料[6,7]，是一種在海上石油鉆井平臺具有10年以上應(yīng)用業(yè)績，上萬平米以上涂裝實(shí)踐的厚漿型長效防腐低表面處理涂料。從防銹機(jī)理上看，它屬于滲透型，該涂料利用滲透性好的改性環(huán)氧樹脂，以浸潤、滲透、充滿疏松多孔的銹層，置換銹層的水分，形成連續(xù)性涂膜，把銹層和鋼鐵表面包封起來，從而隔絕外界腐蝕介質(zhì)對銹層的侵害，阻止了銹蝕的發(fā)展。此外，它還采用了鱗片型的鋁粉作為填料，該種填料在涂層中形成了互相交錯的瓦片狀結(jié)構(gòu)，屏蔽性極佳，能阻隔外界腐蝕性介質(zhì)的滲入。同時又可將紫外線反射，提高了該環(huán)氧類涂料的耐候性能。

    同類涂料還有挪威Jotum Protecive Coating公司生產(chǎn)的Jotamastic87，美國Carboling公司生產(chǎn)的Carbomastic15，Ameron公司Amerlock400等厚漿型低表面處理涂料。該類涂料同樣在樹脂的組成結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改姓，降低其表面張力，提高對活性銹蝕的鰲合能力，也加入了片狀顏料，提高防銹性能和抗起泡能力。

    上述這些厚漿型低表面處理涂料適用于濕噴砂或噴砂后用水洗過而生成浮銹的鋼鐵表面，同時對銹蝕鋼板和很多舊殘漆具有優(yōu)良的附著力，只需要進(jìn)行初步處理，就能達(dá)到很好的綜合防銹性能，且和很多舊漆具有很好的相容性，施工方便，且一道涂料可達(dá)120微米。

    還有日本涂料公司報導(dǎo)，該公司為嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境下的海上鋼結(jié)構(gòu)物的防腐，開發(fā)了一種具有優(yōu)異防腐性能的厚膜型長效防腐涂料。該涂料之所以具有良好的柔韌性、厚膜性、濕潤面的附著性和銹面的防腐性，是因?yàn)椋?）采用了與銹面附著性好的樹脂，使其縱彈性模量下降，內(nèi)部應(yīng)力變小，不會產(chǎn)生凝聚力弱的銹層，其標(biāo)準(zhǔn)膜厚1000微米，仍與銹面的附著性良好；2）使用疏水性特殊樹脂，能把銹層中的水分趕走，因此與濕潤面的附著性也很好；3)使用特殊防銹顏料，控制膜下的陰、陽極反應(yīng)，使銹層穩(wěn)定，阻止銹蝕的發(fā)展。

    4.2 水性低表面處理長效防腐涂料

    水性低表面處理涂料大都采用苯丙復(fù)合乳液[8]、純丙乳液等一些水性乳液或樹脂為基料，三聚磷酸鋁、磷酸鋅、氧化鋅等活性防銹顏料制成涂料，該類涂料也是利用涂料滲透到銹層內(nèi)部，將鐵銹分割包圍，而活性顏料中的P3O105-及PO3-除了與成膜物中的極性基團(tuán)（-OH，-COOH）絡(luò)合成穩(wěn)定交聯(lián)化合物外，更能與Fe、Fe生成鰲合物，在金屬表明形成穩(wěn)定的保護(hù)膜，抑制銹蝕的形成和分層，從而起到防銹作用。

    國外Rust-Oleum公司的Rust Reformer是含有銹蝕轉(zhuǎn)化劑的聚合物乳液，可將鐵銹轉(zhuǎn)化為惰性的無腐蝕的黑色物質(zhì)。Haloflex（氯化乙烯—丙烯酸共聚體）是推薦用在以丹寧酸為轉(zhuǎn)化劑的銹蝕轉(zhuǎn)化底漆中的成膜物質(zhì)，由于單寧酸與鐵銹是在pH1.5~2酸性條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)化，而Haloflex是酸性乳液，所以這種酸性乳液作為水性銹蝕轉(zhuǎn)化底漆的成膜物質(zhì)是很理想的。

    4.3 互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物（IPN）穩(wěn)定型低表面處理涂料

    華中理工大學(xué)的梁春群[9]等人用蓖麻油與TDI先以NCO/OH=2.1摩爾比在室溫合成預(yù)聚物，再與計量的蓖麻油、191不飽和聚酯及氯代乙烯混合。然后加入少量催化劑Sn及氧化還原引發(fā)劑，與磷酸鋅、氧化鋅、鐵紅等活性防銹顏料混合加工制備的互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物（IPN）穩(wěn)定型低表面處理涂料，其質(zhì)量固體含量可達(dá)70%，用于帶銹鐵板，在3.0%的鹽水中浸泡10個月，涂層無起泡無開裂，具有良好的防腐性能。該項(xiàng)研究為互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物（IPN）涂料進(jìn)一步用于低表面處理涂料打下了一定的基礎(chǔ)。

    5 結(jié)束語

    綜上所述，早期發(fā)展的低表面處理涂料多屬于單一作用機(jī)理的高VOC溶劑型涂料[10]，該類涂料涂層的防腐壽命低，同時不利于環(huán)保。而隨著科學(xué)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，低表面處理涂料將向以下幾方面發(fā)展：

    a）從原材料上，開發(fā)對銹蝕具有較好穩(wěn)定效果的反應(yīng)性樹脂、鰲合樹脂等品種；

    b）從作用原理上，應(yīng)從單一的滲透型、穩(wěn)定型、轉(zhuǎn)化型朝著多原理相結(jié)合的多功能涂料的方向發(fā)展，從而大大的提高低表面處理涂料的性能和效果；

    c）從防腐效果上，開發(fā)高性能長效防腐低表面處理涂料；

    d）從環(huán)保角度上，朝著節(jié)約能源和改善施工環(huán)境方向發(fā)展，譬如開發(fā)高固體份、水性涂料。

    總之，低表面處理涂料具有很高的實(shí)用價值，將有著廣闊的市場前景。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)生活的需要，該類涂料將在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

    參考文獻(xiàn)

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    作者簡介：楊振波（1978—），男，四川廣元人，碩士，工程師，研究方向?yàn)榉栏苛霞巴垦b。

    作者聯(lián)系方式：yangzhenbo@sina.com