富锌涂料的施工质量控制.doc

富锌涂料的施工质量控制及发展趋势2011/7/6/8:17来源：涂料与涂装资讯网李运德，杨振波，师华，杨忠林，郭万生(北京航材百慕新材料技术工程股份公司，北京100095) 摘要：综述了富锌涂料的性能特点、施工质量控制要点，以及富锌涂料的新类型及发展趋势。关键词：富锌涂料；性能特点；施工质量0.引言富锌涂料是指采用大量高纯度的锌粉作为基础填料，利用锌的电化学阴极保护机理来阻止钢铁基材锈蚀的一类涂料。该类涂料是苛刻腐蚀环境下钢结构防腐涂层体系最常采用的配套底漆，而国内外钢结构涂层体系设计的相关标准，如ISO12944-52007、JT/T7222008、TB/T15272004等也均将富锌涂料设计为最主要的底漆涂层。因此，以富锌涂料作为防锈底漆的涂层配套体系将在未来相当长的一段时间内，作为市场主流的长寿命重防腐涂层配套体系而得到广泛应用1-2。1.富锌涂料的性能特点1.1成膜树脂目前市场上常见的富锌涂料根据成膜树脂的不同，可分为3大类，即环氧富锌涂料、醇溶型无机富锌涂料和水性无机富锌涂料。环氧富锌涂料对表面处理及施工环境的要求相对宽松，涂层的力学性能好，具有良好的电化学保护性能；醇溶型无机富锌涂料与水性无机富锌涂料对表面处理、施工环境要求较高，在严格控制施工质量的前提下，可获得比环氧富锌更好的防腐性能，同时具有优良的耐温特性。环氧富锌涂料采用环氧树脂、环氧固化剂为成膜树脂。环氧树脂通常采用E-20、E-44，或者二者复配，固化剂常用品种为聚酰胺固化剂，也有采用聚酰胺加成物和腰果油改性酚醛胺。固化剂的品质对环氧富锌涂料的附着力、配套性、防腐性能有较大影响，采用聚酰胺加成物和高品质的腰果油改性酚醛胺作为固化剂能够获得性能优异的涂膜，而采用低品质的聚酰胺固化剂得到的涂膜性能较差。醇溶型无机富锌涂料以硅酸乙酯水解预聚物为主要成膜树脂，为改善无机涂层的力学性能还加入了聚乙烯醇缩丁醛等增韧剂。醇溶型无机富锌涂料的性能主要由硅酸乙酯水解物的聚合度，以及固化成膜过程中硅酸乙酯水解物与空气中的水分继续反应的能力决定。水性无机富锌涂料以硅酸盐为成膜树脂，目前市场上应用的主要是硅酸钠、硅酸钾和硅酸锂水溶液的自固化品种。不同品种的防腐蚀性能呈现一定的差异，一般情况下，涂膜养护时间较短(7d)时，三者呈现的耐盐雾性能顺序为硅酸锂硅酸钾硅酸钠；但随着养护时间延长，三者的耐盐雾性能差异缩小。对于同一类型硅酸盐，模数是影响涂料性能的重要因素，模数影响涂料的贮存稳定性、适用期、锌粉的悬浮性、施工方法，以及涂膜的防腐性能和力学性能。在一定范围内，随模数提高，涂膜的耐水性、防腐性能提高，但涂膜的脆性增大，适用期缩短。为提高水性无机富锌涂料的施工性能、改善其力学性能，市场上有采用丙烯酸乳液或苯丙乳液对硅酸盐粘结剂进行改性的产品。1.2锌粉含量富锌涂料需要达到一定的干膜含锌量，才能保证其电化学保护性能。锌粉与锌粉之间及锌粉与钢基材之间一般不是直接接触，这是由于接触面至少覆盖一层单分子树脂膜，这样一来，电流转移效率就依赖于导电性和接触面的厚度，只有当PVC(颜料体积浓度)/CPVC(临界颜料体积浓度)1时，锌粉才能紧密排列，接触面的厚度足够小，从而形成良好的导通性。但锌粉含量也非越高越好，过高的锌粉含量会导致涂层形成多孔状结构，继而影响涂层的附着力和涂膜的致密性，加快了锌粉的消耗速率，从而影响到涂层的长效防腐屏蔽性能。从实际应用和试验检测结果看，不同类型的富锌涂料其最佳的锌粉含量也不同：环氧富锌在80%85%之间；醇溶型无机富锌在85%90%之间，水性无机富锌涂料90%。不同类型富锌涂料的最佳PVC值不同，主要由其成膜机理不同造成的，环氧富锌涂料依靠物理吸附与基材产生结合力，PVC值过高，涂层附着力下降明显，会降低涂膜防腐性能，而无机富锌涂料，特别是水性无机富锌涂料，粘结剂与锌粉、钢铁基材间发生化学反应，最终涂层与基材产生牢固的结合，因此为充分发挥涂膜的电化学保护性能，其干膜含锌量通常超过90%。化工行业标准HG/T3668对于富锌涂料中锌粉含量做出了规定。HG/T36682000(等效采用日本工业标准JISK55521991)，不挥发分中金属锌含量：无机富锌80%，环氧富锌70%。HG/T3668的修订版(参考了SSPCPAINT-202002)按照不挥发分中的金属锌含量分为3类：1类80%，2类70%，3类60%。但是作为长寿命防腐涂层体系的配套底漆，只有当锌粉含量大于80%时的富锌底漆才适用于ISO12944-52007规定的以富锌底漆配套的长寿命防腐涂层体系，锌粉含量低于80%时的富锌涂料只能作为一般防锈底漆配套使用。我国桥梁钢结构标准也对应用于长寿命涂层配套体系的富锌底漆的锌含量进行了明确规定：JT/T7222008规定不挥发分中金属锌含量，无机富锌(包括醇溶型无机富锌和水性无机富锌)80%，环氧富锌70%(干膜锌粉含量80%)；TB/T15272004规定干膜中锌粉含量，环氧富锌80%，水性无机富锌90%。锌粉含量和金属锌含量有一定的联系，但是含义不同。干膜中锌粉含量是配方设计值，是锌粉含量与涂料所有成膜组分质量的比值；不挥发分中金属锌含量是试验值，是指配方中单质金属锌与涂料不挥发分的比值。不挥发分中金属锌含量与锌粉的纯度和实验误差有关，用于制备富锌底漆的锌粉通常达到国家标准GB/T68902000规定一级或二级锌粉指标，其金属锌含量应大于96%(一级)、94%(二级)。假定锌粉金属锌含量为94%，通常对于双组分的环氧富锌涂料如果配方设计干膜锌粉含量为80%，如果没有试验误差，涂料金属锌含量的检测结果应接近7512%，但实际的检测结果可能会是70%甚至更低。对于锌粉作为一个组分的无机富锌涂料，其金属锌含量主要取决于锌粉的纯度，如果干膜锌粉含量为86%，那么不挥发分中金属锌含量的实验值应接近80.84%。锌粉含量、耐盐雾性和防腐性能之间有一定的相关性。国内通常测试单一富锌涂层耐盐雾试验表征其防腐性能，这并不能完全体现配套体系的防腐性能。单一富锌涂层的耐盐雾试验，特别是环氧富锌涂料，当锌粉含量80%时，随锌粉含量增加，耐盐雾性能并不一定提高，但采用配套涂层体系测试时，体现最佳防腐性能的锌粉含量值要高于单一富锌涂层测试时的最佳锌粉含量，原因是面涂层屏蔽了外来腐蚀介质，使配套体系富锌底涂层的腐蚀比单一富锌涂层直接暴露到环境中缓慢得多，有效避免了高孔隙度引起的高锌涂层的快速腐蚀。单一涂层测试耐盐雾性时，无机富锌涂料比环氧富锌涂料要好得多，但采用配套涂层体系测试时，同样锌粉含量的体系耐盐雾性差别不大，当锌粉含量较高时，如果接近90%，无机富锌的耐盐雾性能要好些。 2.富锌涂料配套体系及施工质量控制2.1长寿命富锌配套涂层体系ISO129944-52007色漆和清漆钢结构防腐涂层保护体系第五部分涂层保护体系介绍了适用于不同腐蚀环境类型、不同表面处理等级和预期防腐年限的涂层体系。涂层保护体系的防腐年限分为低(25a)、中(515a)、高(15a以上)3类。表1汇总了ISO129944-5附录A中相应腐蚀类型下高耐久性富锌涂层体系。从表1中可以看出，在轻微腐蚀环境下(C2)，单一富锌涂层60m可以满足长寿命防腐体系的要求；在中等(C3)至严重腐蚀环境(C5)下，后道涂层的选择主要有2类，一类是环氧、聚氨酯体系，一类是丙烯酸、氯化橡胶、氯化聚烯烃共聚物类；随腐蚀环境增大，涂层道数、涂层厚度逐步增大。国内目前采用的长寿命富锌类涂层配套体系主要是采用A3.11、A4.15、A5M.06类似的富锌+环氧、聚氨酯体系，而聚氨酯体系主要采用的是羟基丙烯酸树脂或FEVE氟碳树脂。主要配套方案有：(1)环氧富锌+环氧云铁+FEVE氟碳树脂，目前大型铁路桥梁均采用这一体系；(2)无机硅酸锌底漆+环氧封闭漆+环氧云铁+丙烯酸聚氨酯(或FEVE氟碳漆)，公路桥梁钢结构体系常用配套；(3)环氧富锌+环氧云铁+丙烯酸聚氨酯，船舶、部分公路桥梁、市政工程、电厂、石油石化等领域大量采用。2.2富锌涂料施工质量控制要点2.2.1施工环境由于3类富锌涂料溶剂成分及固化成膜机理之间的差异，使得它们的施工环境要求有所不同。环氧富锌涂料：施工环境温度一般为538，相对湿度低于85%，钢材表面温度至少高于露点温度3以上。在-55施工时，应采用低温固化剂；水性无机富锌：钢材表面温度和环境温度一般不应低于10，最高温度一般不超过40，钢材表面温度至少高于露点温度3以上，相对湿度最好低于80%。温度低于10时，应在干燥环境下施工。温度低于5应禁止施工；醇溶性无机富锌涂料：相对湿度最好大于65%，最低不能小于50%，施工环境温度可低至-10；在低温低湿环境下，漆膜固化速度明显变慢。根据国内现有涂装技术和涂装条件，在一般施工环境和施工条件下，优先推荐采用环氧富锌涂料；在施工条件可控，施工环境满足要求的情况下，对一些结构规整的大型钢构件，可优先选用无机富锌涂料；在高湿情况下，特别是湿冷的施工环境下，醇溶型无机硅酸锌涂料特别适用。表1 ISO129944-5附录A中相应腐蚀类型下的高耐久性富锌配套涂层体系 点击此处查看全部新闻图片注：1：EP：环氧；PUR：聚氨酯；ESI：无机硅酸盐；AY：丙烯酸；CR：氯化橡胶；EPC：环氧化合物；PVC：氯化烯烃共聚物；2：推荐在无机硅酸锌底漆(ESI)上涂覆1道后续涂层作为过渡涂层；3：选择富锌底漆时，NDFT额定干膜厚度的适宜选择范围为：4080m。2.2.2表面处理彻底的表面处理是保证富锌底漆获得优异电化学保护性能以及优异附着力的前提，合适的粗糙度进一步增加涂层的附着力。富锌涂料的喷砂除锈等级应至少达到GB/T8923规定的Sa212级，对于无机富锌底漆，特别是水性无机富锌底漆最好达到Sa3级；环氧富锌底漆的表面粗糙度要求一般为Rz3075m，而对于无机富锌底漆通常要求更高的表面粗糙度，一般为Rz5080m。表面清洁度除了锈蚀产物的清洁要求外，还有油污、可溶性盐分以及灰尘的清洁要求。表面油污影响涂层附着力及富锌底漆的电化学保护性能，特别是水性无机富锌涂料，由于水与油的极端不相容性使得水性无机富锌在带油表面附着力极差，即使非常薄的油膜也容易造成涂层剥落。喷砂前可用中等碱性清洗剂除去油污，然后用清水冲洗干净，不允许使用有机溶剂清洗。喷砂钢材表面可溶性氯化物含量应不大于7g/cm2。超标时应采用淡水冲洗。清洁后的喷砂表面灰尘清洁度要求不大于GB/T18570.3规定的3级。处理完的表面最好在4h内涂敷涂料，当湿度较低时，可适当延长时间，但最长不应大于12h。现场经常会采用表面是否返锈作为涂敷时间的限度，但这很难把握。因为一是表面的轻微锈蚀肉眼是不易观察到的，但对富锌涂料特别是无机富锌涂料的防腐性能影响是比较大的；二是由于喷涂环境的变化不完全可以预测，任何引起湿度增大的因素，均可能使喷砂表面很快返锈。2.2.3搅拌与混合由于富锌涂料中含有很高的锌粉含量，且锌粉的相对密度较大，因此必须采用电动或气动搅拌装置搅拌均匀，手工搅拌不可取。为防止锌粉沉淀而导致涂膜中锌粉分布不均匀，在施工时要持续低速均匀搅拌。无机富锌涂料(水性无机富锌和部分醇溶型无机富锌涂料)通常由主剂和锌粉两个包装组成，混合时，把锌粉缓缓加入液体组分，并同时进行搅拌。切不可反过来操作，把液体组份加入锌粉很容易导致结团，而且不能搅拌均匀。2.2.4涂装工艺要点环氧富锌和醇溶型无机富锌涂料可采用高压无气喷涂、空气喷涂、刷涂和辊涂方法施工，但部分水性无机富锌(如IC531)不能采用高压无气喷涂施工。由于无机硅酸锌漆的表面多孔状态，直接喷涂厚浆型后道涂层就会产生起泡和针孔。为了避免后道涂层起泡，可以采用薄涂/统涂技术：首先喷涂1薄层油漆以填充硅酸锌漆膜中的孔隙，几分钟之后再统涂至规定膜厚。国内桥梁防腐涂装通常先喷涂1道专用封闭涂层，通常采用环氧封闭漆，厚度一般为2030m，再喷涂后道涂料。在醇溶型无机富锌涂料施工时要避免因漆膜过厚造成的龟裂问题。典型的无机富锌涂料干膜设计厚度在5080m，醇溶型无机富锌一般不应超过125m。在焊缝处、内角处特别容易发生漆膜龟裂现象，在这些地方表面处理等级往往达不到要求，并且也容易产生应力集中，同时由于预涂装和过喷现象造成涂膜局部过厚也加大了涂膜开裂的倾向。醇溶型无机富锌涂料在温度25，相对湿度大于65%的情况下，一般要经过1624h的养护时间后，才能涂装后道涂层。在低湿度环境下，醇溶型无机富锌涂料干燥速度很快，漆膜硬度上升也很快，即使相对湿度低至40%以下，漆膜表面硬度在经过24h养护后也能达到4H以上，这样会给人一种漆膜已经完全固化的感觉，但实际上漆膜并未达到完全固化状态。检测醇溶型无机富锌固化的标准方法是MEK擦拭法，用白色棉布蘸上MEK试剂，来回擦拭50次，如果没有或者仅有很轻微变色说明固化已经完成，如果变色严重，说明还未完全固化。简易的方法可以用硬币或小刀刮擦漆面，如果仅有很少量的锌粉刮下，漆面闪亮，说明固化已完成。3.富锌涂料新品种及研究进展3.1鳞片型富锌涂料球型富锌涂料为了追求高干膜含锌量以保证涂层的导通性和使用寿命，其料浆中锌粉的加入量往往超过80%，这样的高PVC值导致涂层孔隙度大、屏蔽效果差。无机富锌涂料容易出现开裂现象且直接涂覆其他高固体组分面漆时容易产生起泡倾向。另外，高密度的球状锌粉还不可避免地带来锌粉沉降等施工难题3。而采用鳞片状锌粉研制的鳞片型富锌涂料，由于鳞片状锌粉片与片之间是以面接触取代球锌之间的点接触，其电流导通性能大大提高，因而在添加量远低于CPVC值时，就能获得优异的电化学保护性能，低PVC值也使得涂层的致密性提高，而层层叠加的片状锌粉延长了腐蚀介质的渗透路径，大大提高了涂层的屏蔽性能。同时片状结构还赋予涂层优异的力学性能、抗渗透压起泡性能和防沉降性能。由于涂层结构致密，鳞片型无机富锌底漆可不采用过渡涂层封闭。鳞片状锌粉涂料要求较低的喷砂粗糙度，一般为2540m。每道漆喷涂厚度为2030m，可湿碰湿喷涂2道，总厚度为4050m，相当于7080m球锌的防腐效果。相关行业的富锌标准是针对球状锌粉制订的，并不适用于鳞片状锌粉底漆。特别是干膜中金属锌含量指标限制了鳞片型富锌涂料的推广应用。目前，鳞片状锌粉填料的国家标准已经立项，正在制订过程中；鳞片型富锌底漆的国家标准也在申报过程中。3.2水性环氧富锌底漆为解决环境污染问题，国内外正大力发展水性环氧富锌涂料。水性环氧富锌涂料4主要分为水溶性和水分散性两大类。水溶性环氧涂料中有脂肪酸环氧，如甘油环氧、乙二醇环氧等，因其基本单体为脂肪酸，所以能溶于水中，其分子中含有2个环氧基，能与许多有机胺、有机酸等发生固化反应，但因该类树脂交联固化强度不高，所研制的水溶性环氧富锌涂料很难满足重防腐涂料底漆的技术要求。目前，国内外的水性环氧富锌涂料大多为水分散性环氧涂料，其树脂主要形态为乳化液。其原理为利用表面活性剂使双酚A环氧、双酚F环氧或改性环氧分散于水中，形成稳定的乳化液，然后与水性胺固化剂交联反应成膜。目前，国内外的水性环氧富锌涂料已经形成了产品，但其各项性能指标距离溶剂型环氧富锌涂料还有相当差距，国内外长效重防腐涂层体系的设计还很少采用水性环氧富锌涂料做底漆。该产品还有待进一步完善。3.3湿固化聚氨酯富锌底漆湿固化聚氨酯涂料固化机理主要依靠NCO与H2O的反应来固化，最终形成聚脲结构，正是聚脲结构明显提高了漆膜的强度、耐磨性与耐化学性。此外由于基材表面的水分在涂膜干燥的过程中完全被反应掉，保证了基材的绝干状态，提高了涂膜的防腐性能。微细的锌粉颜料与钢铁基层形成电位差，起到牺牲阳极作用；同时阻碍水蒸气和侵蚀离子的侵入。由湿固化聚氨酯富锌底漆与中间漆、面漆组成的湿固化聚氨酯体系经过良好的施工，能有效地隔绝钢铁与外界腐蚀环境的接触，为基材提供极佳的保护效果。美国著名的彩虹桥距离尼亚加拉大瀑布只有700m，常年湿度极高，1998年彩虹桥覆涂修新时，常规涂料受到周围高湿度的影响，无法完成现场施工，经美、加两国专家多重论证，双方共同选择了湿固化聚氨酯体系，其中就采用了基材处理要求为SSPCSP-6(Sa2)的湿固化聚氨酯富锌底漆。此外坐落在美国西北西雅图的SafecoField建于1999年，因季节影响，钢结构涂装需要在-6下完成，最终也选用了湿固化聚氨酯体系成功解决了工程中的低温施工的难题。3.4冷镀锌涂料冷镀锌涂料是近年来新出现的一个富锌涂料品种，其典型代表产品有比利时的Zinka以及日本的ROVAL。与普通的富锌涂料相比，其涂料中采用高纯度的锌粉，干膜中金属锌含量高达96%以上，接近100%的热浸锌涂层，同时可以在常温下施工，所以该类产品被称为“冷镀锌”。冷镀锌涂料通常采用改性聚苯乙烯树脂等低密度树脂，属于使用方便的单组分富锌涂料，与双组分、三组分涂料相比，不存在使用前繁琐的混合工序和涂料使用时间的限制。该类产品在国内电厂的热浸锌构件的后期修补领域占有相当大的市场。3.5无机磷酸盐富锌底漆无机磷酸盐富锌涂料源自20世纪60年代中期由美国SermatechInternational公司开发的高温固化的SermeTelW涂料，从60年代起，西方多数航空发动机的钢铁部件都普遍采用这种涂料。但该涂料只能在高温下固化，涂料成本昂贵、工艺性能差。国内研制的常温固化无机磷酸盐涂料，为包含无机磷酸盐主成分、固化剂、锌粉的三组分涂料。该涂料同时具备阴极保护、化学缓蚀、屏蔽、磷化、转化锈(轻微锈)等功能，还有耐400高温的特性。该涂料由于对钢铁具有磷化的作用，所以将普通低表面处理涂料的缓蚀钝化功能与富锌涂料的电化学阴极保护功能良好结合，所以可以降低金属的表面处理等级，扩大了该涂料的应用领域。4.结语富锌涂料产品的研究将更加关注功能性、环保性，主要发展品种将集中在鳞片型富锌底漆、湿固化聚氨酯富锌底漆、水性环氧富锌底漆，而对于无机富锌底漆通过配方改进，改善产品的力学性能、施工性能和施工环境的适应性也是进一步研究的方向。