金屬腐蝕種類與防腐涂料的作用.doc

金屬腐蝕種類與防腐涂料的作用隨著重防腐涂料技術(shù)進(jìn)步和現(xiàn)代噴涂設(shè)備的應(yīng)用，尤其是高壓無氣噴涂設(shè)備、無溶劑雙口噴涂設(shè)備、粉末噴涂設(shè)備等的大力推廣，將重防腐涂料擴(kuò)展到特種防腐蝕涂層領(lǐng)域。祥和涂料磷化（成都）總部技術(shù)保障處發(fā)表的這篇論文，較全面地闡述了重防腐涂料的主要應(yīng)用行業(yè)。1 主要應(yīng)用領(lǐng)域重防腐涂料主要應(yīng)用于腐蝕問題突出的苛刻環(huán)境和不便于短期維修的工業(yè)部門，應(yīng)用領(lǐng)域有以下五個(gè)方面：新興海洋工程：海上設(shè)施、海岸及海灣構(gòu)造物、海上石油鉆井平臺；現(xiàn)代交通運(yùn)輸：高速公路護(hù)欄、橋梁、船艇、集裝箱、火車及鐵道設(shè)施、汽車、機(jī)場設(shè)施；能源工業(yè)：水工設(shè)備、水罐、氣罐、石油精制設(shè)備、石油貯存設(shè)備（油管、油罐）、輸變電設(shè)備、核電、煤礦；大型工業(yè)企業(yè)：造紙?jiān)O(shè)備、醫(yī)藥設(shè)備、食品化工設(shè)備、金屬容器內(nèi)外壁、化工、鋼鐵、石化廠的管道、貯槽、礦山冶煉、水泥廠設(shè)備、有腐蝕介質(zhì)的地面、墻壁、水泥構(gòu)件。市政設(shè)施：煤氣管道及其設(shè)施（如煤氣柜）、天然氣管道、飲水設(shè)施、垃圾處理設(shè)備等。 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展：為重防腐涂料創(chuàng)造了物質(zhì)條件和廣闊的市場，從陸地（如重防腐涂料已經(jīng)拓展到高速公路、城市軌道交通、核電站、廣播電視塔等）到海洋，從地下到空間，從傳統(tǒng)工業(yè)到新興工業(yè)，都為重防腐涂料提供了廣闊的舞臺。例如海水淡化和海水利用工程，就為重防腐涂料和應(yīng)用開辟了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域和市場。在盛產(chǎn)石油的中東，前臨大海背靠沙漠，是典型的缺水地區(qū)，要解決水源，主要靠海水淡化技術(shù)。開采和石油用的工業(yè)用水，也得求助于海水利用的水處理工程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1975年全世界日產(chǎn)淡水200萬m3，1994年就達(dá)到2000萬m3，20年就已增長了10倍。美國、日本、以色列的海水淡化和海水利用設(shè)施，都必須面對海水的腐蝕。由于海水腐蝕的特殊性，對用于這些設(shè)施的重防腐涂料提出了更嚴(yán)格的要求。于是，海水淡化和海水利用的水工程重防腐涂料應(yīng)運(yùn)而生，并將隨之發(fā)展。由于重防腐涂料的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，重防腐涂料得到了迅速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的涂料中，重防腐涂料已占到涂料總量的5%7%。環(huán)境保護(hù)的促進(jìn)：隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大氣中的二氧化碳及碳?xì)浠衔锏葰怏w濃度不斷增加，不僅導(dǎo)致全球氣溫升高，對環(huán)境產(chǎn)生一次性污染，而且一些有機(jī)物與空氣中的氮氧化合物間發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生有毒害的臭氧等，引起比一次性污染更大的二次污染毒害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年向大氣釋放碳?xì)浠衔锛s2000萬噸，大部分是涂料涂裝所為。涂料制造對排放到大氣中有機(jī)溶劑量為涂料量的2%，涂裝過程中揮發(fā)到大氣中的有機(jī)溶劑為涂料量的50%80%。為消除涂料涂裝對大氣的污染，重防腐涂料正向著高固體分（目前，高固體分溶劑型重防腐涂料，大部分屬環(huán)氧型）、無溶劑、水性化方向發(fā)展。其中，高固體分和水性化是重防腐涂料研制和應(yīng)用的主調(diào)。（悉尼港大橋所用的氯化橡膠重防腐涂料，其溶劑的含量為500g/L，它的溶劑揮發(fā)到大氣中，對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染）。綜合性能優(yōu)異的品種將更廣泛應(yīng)用綜合性能優(yōu)異包括：防腐性能優(yōu)：附著力好，防腐性能優(yōu)，壽命長。根據(jù)這一要求，祥和涂料公司研制生產(chǎn)了集環(huán)氧類重防腐涂料和氯磺化聚乙烯橡膠類重防腐涂料于一體的新型重防腐涂料，使其具有優(yōu)異的耐酸、耐鹽、耐海水、耐老化等性能，以滿足市場的需要。施工性能優(yōu)：能象常規(guī)防腐涂料那樣，常溫快速固化，施工簡便，不熟練者也能操作（氯化橡膠重防腐涂料之所以能得到大量應(yīng)用，主要就是這個(gè)原因）。祥和牌集環(huán)氧與橡膠一體的重防腐涂料的施工，就與普通雙組分環(huán)氧防腐涂料的施工基本一致，且常溫固化，使普通施工者也能掌握。環(huán)保性能優(yōu)：傳統(tǒng)的溶劑型防腐涂料固含量只能達(dá)5060%，而高固體分重防腐涂料的固體分則可高達(dá)70%80%，甚至90%100%，溶劑減少近一半，展示出良好的環(huán)保性能。祥和公司生產(chǎn)的重防腐涂料的固含量均大于75%，有的甚至高達(dá)90%，不但降低了溶劑污染，而且降低了使用成本。水性金屬防腐蝕涂料所用基料現(xiàn)狀及發(fā)展作者：郭清泉1林淑英2陳煥欽1(1.華南理工大學(xué)化工研究所,廣東廣州510640;2.華南理工大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,廣東廣州510640)水性涂料最早應(yīng)用并成功替代溶劑型涂料是在建筑涂料領(lǐng)域,但隨著環(huán)保法規(guī)對揮發(fā)性有機(jī)物()的限制越來越嚴(yán)格以及新型高性能水性樹脂的出現(xiàn),水性涂料也逐漸應(yīng)用到工業(yè)金屬防腐蝕領(lǐng)域。最初水性金屬防腐蝕涂料的樹脂采用的是單組分形式,主要是苯乙烯-丁二烯與乙烯基丙烯酸的三聚物和醇酸樹脂的乳化等;之后,雙組分環(huán)氧涂料得到重視和發(fā)展;現(xiàn)在,高性能的聚氨酯分散體、含氟聚合物、聚酯、有機(jī)硅樹脂等基料也被使用在水性金屬防腐蝕涂料的制作中,有的已經(jīng)取得了很好的效果;另外,有機(jī)-無機(jī)復(fù)合、互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)()防腐蝕涂料也得到迅速發(fā)展,并且有水性涂料成功應(yīng)用于重防腐領(lǐng)域的報(bào)道。但是,目前就水性金屬防腐蝕涂料的實(shí)際應(yīng)用效果來看,無論國內(nèi)還是國外產(chǎn)品的水平,其性能還不能與溶劑型涂料相媲美,這同時(shí)也是涂料科技工作者面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。1幾種重要的水性金屬防腐蝕涂料體系1.1丙烯酸類乳膠水性丙烯酸聚合物通常通過自由基聚合反應(yīng)機(jī)理制備,制造這類樹脂可用的單體很多,丙烯酸樹脂的最終性能可通過選擇適當(dāng)?shù)膯误w種類、調(diào)整硬軟單體比例、使用不同聚合方法來加以控制。用于金屬的乳膠需要低的水氣、氧氣透過性,而丙烯酸類乳膠的透水氣性很高,目前主要通過以下幾種方式來避免這一缺陷:采用偏氯乙烯作為乳液聚合的共聚單體,這樣得到的含氯聚合物交聯(lián)致密,水氣透過性大大下降,但是含氯共聚物的光降解性較高,使其不適于用作面漆;在配漆中選擇片狀顏填料,如鋁粉或云母粉等,這樣在得到的漆膜中層疊的片狀顏料能延緩水氣和氧氣的滲透;適當(dāng)提高乳液的玻璃化溫度,這樣得到的漆膜硬度較高,結(jié)構(gòu)致密,但是成膜助劑的添加量也要相應(yīng)增加,這樣對降低體系的含量不利。目前大多是利用丙烯酸乳膠耐候性好的特點(diǎn),用其制作面漆,金屬的防腐蝕主要通過配套的底漆來解決。此外,還可以采用復(fù)合膜技術(shù),將表面張力不同的環(huán)氧胺樹脂和丙烯酸系樹脂復(fù)配陰極電泳涂料,涂膜在烘烤時(shí),表面張力大的環(huán)氧成分附在金屬表面,表面張力小的丙烯酸系成分分離成為上層,形成的復(fù)合膜同時(shí)具有環(huán)氧的耐蝕性和丙烯酸的耐候性。1.2水性聚氨酯體系水性聚氨酯的制備方法主要有外乳化型和自乳化型:外乳化型得到的乳液穩(wěn)定性差,產(chǎn)品性能不佳;自乳化型是目前主要采用的方法,其關(guān)鍵是在聚氨酯骨架中引進(jìn)親水基團(tuán)。自乳化型具體又分為以下幾種方法:(1)丙酮法。該方法容易操作,重復(fù)性好,是當(dāng)前生產(chǎn)水性聚氨酯的主要方法,得到的是以線型為主的較高分子質(zhì)量聚氨酯分散體,但此法要求聚合物未交聯(lián)且可溶于丙酮,因而其應(yīng)用受到限制,且得到的涂膜耐溶劑性不好。在此方法的改進(jìn)中,加入少量三官能團(tuán)異氰酸酯,能得到低交聯(lián)度分散聚合物,漆膜性能高于線型聚合物所得漆膜。(2)丙烯酸/聚氨酯(混合型)水分散體的制備。采用多羥基丙烯酸樹脂與多異氰酸酯組分結(jié)合制備,既保持了丙烯酸優(yōu)異的硬度、光澤、耐候性,又具有良好的附著力、柔韌性和耐磨性。張旭東等認(rèn)為開發(fā)功能性原材料、完善原位乳液聚合法和溶液聚合轉(zhuǎn)相法以及探索新的合成工藝將成為今后研究的重點(diǎn)。(3)水稀釋型聚氨酯分散體的制備。如采用二異氰酸酯、二元醇、三元醇和2,2-二羥甲基丙酸()制備含有羧酸基的聚合物,用胺中和羧酸基后成鹽。(4)融熔分散法。先制備含親水基團(tuán)的異氰酸酯基()封端預(yù)聚物,與尿素反應(yīng),生成親水的縮二脲預(yù)聚物,分散在水中,與甲醛進(jìn)行擴(kuò)鏈或交聯(lián),但分散過程需特別的功率攪拌器,縮聚反應(yīng)溫度高,生成的水分散體為支鏈結(jié)構(gòu),分子質(zhì)量較低,此方法不需要溶劑。(5)酮亞胺/酮連氮法。使用封閉型二元胺(酮亞胺或酮連氮)作為潛擴(kuò)鏈劑加到親水性異氰酸酯基封端預(yù)聚物中,當(dāng)用水分散該混合物時(shí),釋放出二元胺與預(yù)聚物反應(yīng),生成擴(kuò)鏈的聚氨酯-脲。該方法制備的漆膜性能較好,德國公司的產(chǎn)品“”就是采用這種方法制造的。水性聚氨酯分散體中水可作為增塑劑,因此減少或消除了成膜助劑的添加,同時(shí)因其分子內(nèi)存在氨基甲酸酯鍵和脲鍵,所以水性聚氨酯涂料的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、耐化學(xué)藥品及耐久性都十分優(yōu)異,歐、美、日均將其視為高性能的現(xiàn)代涂料品種而大力研發(fā)。目前以雙組分水性聚氨酯為面漆,環(huán)氧改性丙烯酸富鋅為底漆的水性重防腐體系是研發(fā)熱點(diǎn),同時(shí)為降低成本,有人嘗試使用聚苯乙烯同水性聚氨酯結(jié)合形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合體。水性聚氨酯的主要缺點(diǎn)是因親水基團(tuán)的存在而引起的漆膜耐水性差,另外成本較高,以及成膜時(shí)間比溶劑型聚氨酯的長。等采用催化鏈轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)合成端基為取代的丙烯酸基團(tuán)功能性單體,作為共聚單體用于水性雙組分聚氨酯乳液的制作,得到的漆膜耐水性良好。1.3水性環(huán)氧涂料體系環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的金屬附著性和防腐蝕性,是目前用于金屬防腐蝕最為廣泛、最為重要的樹脂之一,故水性環(huán)氧涂料體系的研究也得到很大重視。目前環(huán)氧樹脂的水性化主要通過以下3種方法:(1)直接乳化法。采用機(jī)械法等方法將環(huán)氧樹脂磨碎,然后加入乳化劑水溶液,再通過機(jī)械攪拌將粒子分散于水中。(2)轉(zhuǎn)化法。在反應(yīng)型水性環(huán)氧乳化劑與環(huán)氧樹脂的混合物中加水,將聚合物包水狀態(tài)轉(zhuǎn)變成水包聚合物狀態(tài)。(3)自乳化法。將表面活性基團(tuán)引入到環(huán)氧樹脂分子中,使其具有親水性,從而可在水中分散。等將常溫固化水性環(huán)氧涂料分為5種類型,如表1所示。目前市場上銷售的主要是第1類和第2類產(chǎn)品,如美國空氣產(chǎn)品與化學(xué)品()公司的777水性固化劑和公司的環(huán)氧乳液-3520-55,這2類產(chǎn)品的缺陷是環(huán)氧樹脂和固化劑在溶度參數(shù)上存在差異,從而導(dǎo)致漆膜性能不良。第3類的典型產(chǎn)品是環(huán)氧-丙烯酸混合分散體,其耐候穩(wěn)定性比純環(huán)氧樹脂要好,耐堿和耐鹽霧性能又比丙烯酸乳液好,綜合了環(huán)氧和丙烯酸樹脂的優(yōu)點(diǎn),最近,有人先將環(huán)氧樹脂用磷酸酯化,再與丙烯酸接枝共聚,得到比環(huán)氧樹脂直接接枝的產(chǎn)物穩(wěn)定性更好的水基分散體。第4和第5類是在20世紀(jì)90年代末期發(fā)展起來的新型室溫固化水性環(huán)氧涂料,這2類環(huán)氧涂料所用的樹脂有2種:常用的雙酚環(huán)氧樹脂和中等分子質(zhì)量的多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂,這種多官能團(tuán)環(huán)氧樹脂有3個(gè)聚合物部分:標(biāo)準(zhǔn)的雙酚芳環(huán)部分,其能夠形成平面的、緊密的硬膜;脂肪族烴基團(tuán),用來潤濕顏料和非極性基質(zhì);適當(dāng)尺寸的聚乙烯氧化物()親水部分,該部分位于聚合物的中部,提供水分散性、膜彈性、填料的相容性和涂料的穩(wěn)定性。固化劑是一種雙酚與胺的加成物,同樣經(jīng)過親水基團(tuán)改性,是一種水性分散體形式。這樣,樹脂與固化劑的溶度參數(shù)相接近,提高了與樹脂的匹配,得到的漆膜耐水性有很大提高。目前水性環(huán)氧樹脂體系的研究方向主要是,尋找更好的固化劑,改善交聯(lián)度、硬度和柔韌性,縮短固化時(shí)間,提高物理機(jī)械性能,擴(kuò)大使用范圍等,李君善等將固化劑中的羥基轉(zhuǎn)換成乙酸基,可以降低樹脂的飽和吸水率。1.4水性無機(jī)硅酸鹽富鋅底漆水性無機(jī)富鋅底漆是以硅酸鹽等無機(jī)物為粘接劑,加入大量鋅粉制成的底漆,其鋅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%95%,是保護(hù)鋼鐵最普遍、最常用的底漆。據(jù)美國航空航天局()報(bào)告,在各類富鋅涂料中抗蝕性最佳的為水性無機(jī)富鋅涂料,它在海洋大氣條件下的使用壽命至少為25年。無機(jī)硅酸鹽中的硅酸鈉、硅酸鉀的價(jià)格低,成膜性好,故用于涂料的多為堿金屬的鉀鹽、鈉鹽及它們的混合物。鉀離子比鈉離子體積大,并帶有較弱的電荷,運(yùn)動穩(wěn)定且可溶,是鋅粉的極好基料,故新一代推出的水性無機(jī)富鋅底漆,多以硅酸鉀為原料,黏度僅有1517。青島海洋化工研究院通過添加硅溶膠和硅氧烷等樹脂,將硅酸鉀中二氧化硅與氧化鉀的摩爾比由3.31提高到5.31,增強(qiáng)了硅酸鉀的附著性,且與鋅粉更易混合,由這種高摩爾比的硅酸鉀制成的涂料,反應(yīng)速度大大提高,固化時(shí)間大為縮短,減少了單層涂裝及面涂的時(shí)間,防銹性也有所提高。2結(jié)語與成熟的溶劑型涂料相比,水性涂料在金屬表面的應(yīng)用還存在不足,如在制備水性涂料的過程中使用的表面活性劑,使得涂膜耐水性差,直接用于金屬的水性底漆容易發(fā)生閃蝕,由水所引起的涂膜干燥時(shí)間緩慢,生產(chǎn)過程中對強(qiáng)機(jī)械作用力的穩(wěn)定性差,施工過程中對金屬基材表面清潔度要求高等問題,但只要設(shè)計(jì)得當(dāng),其在許多惡劣環(huán)境下完全可以勝任,并且其性能正得到不斷的改善和提高。目前水性金屬涂料技術(shù)的研究重點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面:無毒或低毒防腐蝕顏填料的選擇和制備,新型成膜聚合物的制備和結(jié)構(gòu)表征,配方及合成工藝的優(yōu)化,防腐蝕涂料綜合性能的提高,生產(chǎn)成本的降低等,其中又涉及到自分層技術(shù)、無皂乳液聚合技術(shù)等新技術(shù)的合理應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國家,水性涂料產(chǎn)品在金屬防腐蝕領(lǐng)域已占據(jù)一定市場份額,而同時(shí)國外具有實(shí)力的大公司非常重視水性涂料產(chǎn)品的開發(fā)。我國涂料企業(yè)應(yīng)針對現(xiàn)有國情,依據(jù)漆膜的實(shí)際使用情況,抓住“量大面廣”的品種,如汽車漆、船舶漆、鐵路用漆等,大力開發(fā)水性涂料產(chǎn)品。目前有理由相信:隨著新工藝和新技術(shù)的不斷出現(xiàn),水性金屬防腐蝕涂料將會有更大的發(fā)展。重防腐涂裝重防腐涂裝是指采用高耐蝕性涂料,涂膜厚度在200300以上,在嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中使用,防腐期長達(dá)1050年的一類專用涂裝技術(shù)。由于其防腐期特別長,因此也稱長效防腐涂裝。 從60年代開始,出現(xiàn)了重防腐涂裝的提法?，F(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展為重防腐涂裝提供了廣闊的空間。從空中到地下,從陸地到海洋,從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)到新興工業(yè),都是重防腐涂裝施展才華的天地。其應(yīng)用范圍遍及海上石油鉆井平臺、橋梁、船舶、鐵道車輛、汽車、飛機(jī)、集裝箱、輸油管、油罐、輸變電設(shè)備、水利電力設(shè)備、核電設(shè)備、化工設(shè)備、礦井設(shè)備、冶煉設(shè)備、海港、碼頭設(shè)施、機(jī)場、高速公路、地鐵、現(xiàn)代化工程建筑的鋼結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。 金屬與非金屬防護(hù)理論、現(xiàn)代表面技術(shù)、新興合成材料、防銹顏料、先進(jìn)的涂裝設(shè)備、現(xiàn)代檢測技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為重防腐涂裝提供了良好的技術(shù)物質(zhì)條件,推動了重防腐涂裝技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展?？梢哉f,重防腐涂裝標(biāo)志著一個(gè)國家的科技發(fā)展水平。 重防腐涂裝的顯著特點(diǎn)是厚膜化。為實(shí)現(xiàn)幾十年的防腐,涂膜薄是難以奏效的。高耐蝕性樹脂和新型顏料、填料的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)重防腐涂裝的前提。對金屬基體進(jìn)行認(rèn)真的表面清理是重防腐涂裝的基礎(chǔ)?？茖W(xué)的涂裝設(shè)計(jì)要求、涂料配套方案、涂裝施工技術(shù)是重防腐涂裝的關(guān)鍵,嚴(yán)格的質(zhì)量檢測和維護(hù)管理是實(shí)現(xiàn)重防腐涂裝效果的保證。 在國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展,特別是國家投資大量興建橋梁、鐵路、高速公路、港口、機(jī)場等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的今天,重防腐涂裝更是大有用武之地,越來越受到人們的關(guān)注。重防腐涂裝的特殊性對重防腐涂料提出了特殊的要求。主要是: .對金屬基體及各道涂層間有良好的附著力,有良好的物理機(jī)械性能; .對各種腐蝕性介質(zhì)有良好的耐蝕性; .施工方便。適用于制造重防腐涂料的合成樹脂有各類型環(huán)氧、聚氨醋、丙烯酸、氯化橡膠、有機(jī)氟樹脂及高耐蝕性的不飽和聚酯樹脂等。常見重防腐涂料有: (1)無機(jī)富鋅底漆:是以硅酸鹽等無機(jī)物為粘接劑,加入大量鋅粉制成的底漆。是保護(hù)鋼鐵最普遍、最常用的底漆。40年代國外首次將熱固化無機(jī)富鋅涂料用于250英里長的輸油管線上,取得良好效果。50年代出現(xiàn)冷固化無機(jī)富鋅涂料。無機(jī)富鋅涂料,是目前國內(nèi)和國際鋼板及型材普遍使用的車間保養(yǎng)底漆,干膜厚度1525。 (2)環(huán)氧涂料:用于重防腐涂裝的環(huán)氧涂料主要有環(huán)氧富鋅底漆、各類改性環(huán)氧、無溶劑環(huán)氧、焦油環(huán)氧、環(huán)氧煤瀝青涂料、環(huán)氧云母氧化鐵涂料等。環(huán)氧富鋅底漆屬有機(jī)富鋅底漆,鋅粉含量可高達(dá)85%,在造船工業(yè)中常作車間底漆。環(huán)氧云母氧化鐵涂料有底漆和中涂漆,是目前各工業(yè)部門應(yīng)用較廣泛的重防腐涂料。焦油環(huán)