浅谈环氧富锌防锈底漆FH—FX3173法赫中国 |上海法赫桥梁隧道养护工程技术有限公司

浅谈环氧富锌防锈底漆FH—FX3173

摘要

钢铁腐蚀非常普遍，可以分为大气腐蚀、土壤腐蚀和海洋腐蚀。腐蚀给人们带来巨大的经济损失，阻碍了国民经济的发展。上海法赫选用改性的低分子量环氧树脂、高性能固化剂、超细锌粉、溶剂、防沉淀剂等基本材料，通过试验得到环氧富锌的最佳材料配比，研究了环氧富锌防锈底漆的防锈机理与性能影响因素，研发了一种双组份环氧富锌防锈底漆FH—FX3173。FH—FX3173环氧富锌防锈底漆结合了高分子涂料和电化学防腐的优点，涂刷在钢铁表面作底漆使用，大大增强了钢铁的防腐性能。FH—FX3173耐盐雾大于1800h，漆膜无起泡、无生锈、无脱落；施工性能良好，现场使用方便；在23℃下表干小于2h、硬化小于24h，满足钢结构防腐施工要求。研发的环氧富锌涂料可应用于车间、船舶、桥梁、海洋工程装备等钢结构的防腐。

关键词：环氧富锌底漆、钢铁防腐、材料配比、性能

1引言

钢铁材料性能优异，具有耐高温、强度高、韧性好等被广泛用于适用修造船、海洋钢结构、桥梁、大楼、石化等行业，然而钢铁材料由于使用环境恶劣经常发生锈蚀现象，钢铁锈蚀给人们带来巨大的经济损失，有关数据表明全世界现存的钢铁及金属设备每年腐蚀率约为10%，全世界因腐蚀带来的损失高达7000亿美元，金属腐蚀问题十分普遍和严重，每年需要大量的人力物力用于更换和维护腐蚀的钢铁材料，钢铁的腐蚀还往往带来灾害，例如：管道漏气漏油、爆炸、桥梁坍塌等。用作大型桥梁、钢轨、车辆、储罐、厂房等钢铁60%以上都是在易生锈的大气中使用，因大气腐蚀占腐蚀的一半。随着大型工程、石油、城市建设，大量油气、水管、电缆及其它金属构件埋在地下，由于土壤造成的腐蚀损失也十分严重。现代海洋工程中80%金属也是钢铁，在海洋中钢铁的腐蚀速度约为大气中腐蚀速度的十倍。

钢铁的腐蚀种类：钢铁的腐蚀大体可分为：化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀。

钢铁的腐蚀本质是失去电子被氧化过程。M-ne^-=M^e+

随着钢铁腐蚀带来的巨大损失和材料科学的进步，促进了防腐蚀材料和技术的发展，如今防腐科学应用于各个领域，人们通过各种方式来延缓钢铁的腐蚀速度，如改进基材、选用防腐蚀材料、增加金属镀层、添加缓蚀剂、采用电化学保护、涂刷防腐蚀涂料等，来延长钢结构的使用寿命。目前最常用的方法是采用防腐蚀涂料对钢结构进行保护，该方法不仅防腐效果好，而且施工方便，成本也低。

Zn被广泛应用与金属防腐蚀中。早在1840年，法国人就开发出热浸镀锌工艺，用以保护钢板。此工艺技术经过不断改造，至今仍被广泛使用。但从节约能源和保护环境的角度来看。它有一定局限性。上世纪40年代和50年代，澳大利亚和美国的工程技术人员先后研制成功富锌漆。进过约70年的发展。富锌漆日趋成熟，成功地对轮船、海上采油平台、码头、闸门、管道、桥梁等进行了良好的防护。近20年来，底漆采用富锌底漆、中间漆采用环氧云母氧化铁漆、面漆采用高性能耐候漆的涂装体系已成为国内外现代大型钢结构建造物防腐蚀涂装共同采取的措施。

富锌底漆的发展趋势

重防腐涂料不但具有优良的防腐性能，还具有原料简单易得，制备工艺相对简单等优点，广泛用于道路防腐、桥梁防腐、港口设备防腐等。综合富锌底漆的优点和缺点以后的发展方向有以下几个方面。

（1）重防腐涂料通常作为底漆使用，富锌底漆含有大量活性较高的锌粉，致使它不能直接作为面漆使用。因此要与配套的面漆中间漆一起使用，这涉及到涂料的兼容性问题，虽然水溶性有机环氧富锌底漆兼容性较好，但与其配套的面漆中间漆要考虑对底漆的封闭、封孔等问题。所以在提高兼容性方面还应做一些工作。

（2）随着石油资源的日益匮乏以及国际对环境保护的日益重视。相关环保法案的颁布涂料的VOC挥发受到严格控制，所以底漆的发展方向也由溶剂型向着水溶型或者无溶剂型发展。

（3）无机富锌底漆在施涂前要求钢铁表面无锈、无油，施涂要求非常苛刻，钢铁表面处理花费了大量的人力物力，所以富锌底漆应该朝着低表面处理的方向发展。有机富锌底漆对钢铁表面处理要求就相对较低，同时还可以加入一些化锈剂、稳锈剂是钢铁表面的锈迹惰性化，最终达到稳定状态，像锌粉的腐蚀产物一样对钢铁表面起到隔离保护作用。所以减少或不需要钢铁表面处理的富锌底漆是重要的研究方向。

（4）由于锌粉的存在使得富锌涂料不适合作为面漆使用，所以我们可以想办法使用其他物质代替锌粉，或者使锌粉深度包埋在有机基料下，使得富锌涂料可以底面合一，做到一种涂料既可以达到高的防腐性能，又不用多种涂料一起使用，简单快捷。

上海法赫研制一种环氧富锌防锈底漆FH—FX3173，具有阴极保护作用，锌粉发生腐蚀后的产物覆盖钢铁表面，进一步提高了防腐性能，附着力好，耐热性突出切割时，它不会大面积烧损，也不影响焊接性能，还具有干燥迅速、耐油、耐水等特点。可以广泛适用修造船、海洋钢结构、桥梁、铁塔、石油、冶炼化工等行业。

本文主要研究内容：

（1）FH—FX3173环氧富锌底漆的防腐原理。

（2）影响FH—FX3173富锌底漆防腐性能的因素分析。

（3）FH—FX3173环氧富锌防锈底漆涂料沉降性能研究。

（4）FH—FX3173环氧富锌防锈底漆适用性研究。

（5）FH—FX3173环氧富锌防锈底漆试验与制备。

（6）FH—FX3173环氧富锌防锈底漆的性能测试。

（7）FH—FX3173环氧富锌防锈底漆的施工。

2 .FH—FX3173环氧富锌底漆的防腐原理

以环氧树脂为成膜物质的富锌底漆是防锈和防腐涂料中的一种，因其锌粉对钢铁的电化学保护作用，又称电化学防锈漆，是有机富锌底漆。

FH—FX3173环氧富锌防锈底漆防腐蚀作用是：在腐蚀环境中通过腐蚀牺牲锌粉达到保护钢铁基体，即便涂层表面有损坏或划伤也会自我修复。因此，欲使涂膜导电发挥牺牲阳极的作用，涂膜中就要求含有大量的锌粉粒子，它们相互接触，并和钢材基体也保持接触。含有大量锌粉的底漆在其漆膜中锌粉互相接触并与钢板接触而导电，使钢板受到阴极保护。

锌粉漆的防腐机理：

环氧树脂材料本身具有很好的防腐、耐磨、高粘结性能，环氧树脂涂刷在钢铁表面起到对钢铁屏蔽作用，同时加入锌粉，对钢筋又起到电化学保护作用，当涂层发生小尺寸的破损还能自动修复抑制钢铁腐蚀的发生。

电化学保护作用：由于锌比铁活泼，容易失去电子，在腐蚀前期过程中，锌粉和钢铁基材组成原电池，锌的电极电位比铁的电极电位负，锌为阳极，铁为阴极，钢铁基材便得到了阴极保护。

电化学反应：Fe → Fe²⁺+2e-

Zn →Zn²⁺+2e-

锌腐蚀沉积物屏蔽保护：在腐蚀后期过程中，锌粉漆在应用过程中不断被腐蚀，锌粉间隙和钢铁表面沉积了腐蚀产物，能够阻挡和屏蔽腐蚀介质的侵蚀，起到防锈蚀效果，因此也被誉为锌粉漆的“自修复”性。

锌粉漆在使用环境中潮气条件下生成腐蚀沉积物，反应如下：

Zn+2H2O=Zn(OH)2+H2

Zn(OH)2=ZnO+H2O

5ZnO+2CO2=2ZnCO3•3Zn(OH)2+H2O

5ZnO+2CO2+3H2O=2ZnCO3•3Zn(OH)2

含有大量锌粉的底漆通过上述两种机理最终使钢铁基材得到保护。

3、影响FH—FX3173富锌底漆防腐性能的因素分析

3.1成膜物对FH—FX3173富锌底漆防腐性能的影响

富锌底漆根据成膜物的不同，一般分为有机富锌底漆和无机富锌底漆两大类。有机富锌底漆采用合成树脂作为成膜物，有环氧树脂、聚氨酯、氯化橡胶等，以环氧富锌底漆为主：无机富锌底漆分为水性无机富锌底漆和醇溶性无机富锌底漆。在此筛选了国内外典型的富锌涂料，对其防腐性能进行了测试，并加以比较。

3.2锌粉对FH—FX3173富锌底漆防腐性能的影响

通过试验发现金属的品质对富锌底漆的防腐性能影响很大。金属锌纯度高，杂质元素含量低对富锌底漆的防腐性能很重要。高品质的锌粉，分散性好，粒度均匀，有利于产品防腐性能的稳定。锌粉的形状也能影响底漆的防腐性能，与片状锌粉相比，球状锌粉的防腐性能差一些。同时可以用一些锌粉替代物，如：云母氧化铁来代替部分锌粉，不但降低了成本，还降低“锌热病”发生的可能性。球状、片状锌粉的混合使用也可以提高防腐效果。

3.3防锈颜料对FH—FX3173富锌底漆防腐性能的影响

磷铁粉是一种无毒深灰色粉末，具有良好的导电性、导热性，在常温下具有一定的耐腐性能，耐磨性好，附着力强，在富锌底漆中可部分取代锌粉，有利于焊接切割时减少锌雾，改善工作环境，因其价格低廉，可以降低成本。

通常情况下，由于富锌底漆的功能物质为锌粉，一般人都认为锌粉含量越高则富锌底漆的防腐性能越好，但是国际铅锌组织的研究发现，富锌底漆中的锌粉含量对防腐性能影响不是最大，不同的底漆体系、不同的使用环境决定了具有不同的最佳锌粉使用量。Rudotf将锌粉用硅烷偶联剂处理，提高了环氧富锌底漆的防腐性能。硅烷偶联剂不但能提高底漆的附着力，使树脂能更好的包覆锌粉，而且在一定程度上提高了底漆的防腐性能；在锌粉中加入一定量的铝粉也可以调高防腐性能。

漆膜的固化程度对底漆的防腐性能存在一定的影响，当漆膜未固化完全时，漆膜容易被溶解使锌粉被溶出，防腐性能下降，当固化过度，树脂过度交联致使漆膜力学性较差，容易造成机械损伤出现破损，锌粉也会从破损处溶出造成防腐性能下降。

4. FH—FX3173富锌底漆涂料沉降性能研究

颜料或固体物质与涂料分离，沉积到容器的底部的现象称为沉淀。它使涂料变成一个不均一的分散体系，涂装中颜料产生沉降的原因是复杂的，根据斯托克斯法则，颜料粒子沉降速度与粒子半径及两相密度差成正比，与分散体系的粘度成反比。环氧富锌底漆由于锌粉与基料密度相差较大，因此非常容易沉淀，给施工和性能带来不利的影响。

为了减少沉降，通常采用：1.减少锌粉的粒径，因此我们一般采用500目以上的超细锌粉；2.增加涂料粘度，但粘度过大会影响涂料的流平性，所以人们广泛使用触变剂作为防沉剂。触变剂能赋予涂料一种结构粘度，这种结构粘度随着剪切速率的增加和时间延长而降低，当除掉剪切速率后粘度又恢复。这一特性恰好符合涂装时涂膜的流平和贮存稳定性的要求，在涂装时的剪切速率下，粘度降低，使涂膜流平。涂装结束，剪切速率取消时，结构粘度会自动恢复，限制涂料的流动，防止了流挂等弊病的产生。涂料贮存时剪切速率为零，涂料结构粘度最高，防止颜料粒子的沉降，因而起到防沉作用。目前常用的防沉剂主要有氢化蓖麻油、有机膨润土、超细二氧化硅、聚乙烯蜡浆、聚酰胺蜡浆等。上海法赫通过添加合适的防沉降剂改善涂料的沉降性能。

5、FH—FX3173富锌底漆适用性的研究

环氧富锌底漆作为重防腐涂层的配套底漆，被广泛应用在恶劣腐蚀环境钢结构的防腐蚀之中。现有的富锌底漆固化剂主要有聚酰胺类和酚醛胺类。但是这两类固化剂都存在不足。

聚酰胺类固化剂固化慢，甚至不能完全固化，影响冬季施工进度及涂层的性能。酚醛胺类固化剂虽然解决了冬季固化问题，但是导致涂料夏季施工适用期短，涂料未使用完即发生爆聚反应，造成涂料的极度浪费，并且采用酚醛胺固化剂还会降低涂层的柔韧性及耐冲击性。为了实现涂料四季施工，多数厂家使用两种固化剂，即常温型固化剂和低温型固化剂，为涂料的生产和使用带来不便，而且低温型固化剂一般价格较高，增加了涂料生产成本和施工成本。

本发明的环氧富锌底漆中固化剂结合了传统聚酰胺类固化剂和酚醛胺类固化剂的优点，使本发明的环氧富锌底漆同时具备低温下可固化、高温下适用期较长的性质。发明的环氧富锌底漆所用的溶剂体系也使其具有较短的表干时间和较长的适用期。按照行业标准HG/T3668-2009《富锌底漆》对本发明的环氧富锌底漆的固化时间和适用期进行测试，发明的环氧富锌底漆在-10℃下实干时间仅为24h，实现了在低温下快速固化；在23℃下适用期长达24h，在40℃的适用期也达到了10h，解决了底漆在高温时没有使用即发生爆聚的问题；缩短施工工期，提高施工效率，降低成本。

6、FH—FX3173环氧富锌防锈底漆试验与制备

选用低分子量环氧树脂、超细锌粉、固化剂、助溶剂等，通过试验确定了材料的最佳配比。

基础配方A组分：A组分的基本材料有：双酚A型环氧树脂，二甲苯，正丁醇，环己酮，500目锌粉，气相二氧化硅，有机膨润土，硅烷偶联剂，硅油以及不饱和羧酸；

基础配方B组分：B组份：改性酚醛酰胺，二甲苯，正丁醇以及环己酮。该环氧富锌底漆既可以在低温下固化，又解决了底漆在高温时没有使用即发生爆聚的问题；缩短施工工期，提高施工效率，降低成本。此外其各项性能均达到了行业标准HG/T3668《富锌底漆》的要求。

制造方法：

1、将双酚A型环氧树脂、硅烷偶联剂、硅油和不饱和羧酸加入到二甲苯、正丁醇以及环己酮组成的混合溶剂中溶解，常温下，在适当的搅拌速度下加入500目锌粉、气相二氧化硅、有机膨润土，继续搅拌30~40min，使各组份分散均匀；将混合物用研磨机研磨0.5~1小时，使混合物中固体细度达到100u.m以下，得到环氧富锌底漆的A组份；

2、将改性酚醛酰胺加入到二甲苯、正丁醇和环己酮组成的混合溶剂中，搅拌分散均匀得到所述环氧富锌底漆的B组份；

3、将A组份和B组份混合均匀得到所述环氧富锌底漆。

2.2试验工艺流程图

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