2.1　防腐蝕涂料概述

2.1.1　防腐蝕涂料體系

防腐蝕涂料指涂布于物體表面在一定條件下能形成薄膜而起保護、裝潢或其他特殊作用（絕緣、防銹、防霉、耐熱等）的一類液體或固體材料。因早期的涂料大多以植物油為主要原料，故又稱作油漆。現在合成樹脂已大部分或全部取代了植物油，故稱為涂料。防腐蝕涂料作用主要是保護、裝飾和掩飾產品的缺陷，從而提升產品的價值。產品一般采用復合涂裝方式，體系依次分為底漆、中間漆和面漆。

（1）底漆

底漆的主要作用是防腐蝕、確保涂層與底材的附著力，并為后繼涂層——中間漆或者面漆提供良好的附著基礎。底漆主要有車間底漆、磷化底漆、環氧磷酸鋅底漆以及富鋅底漆。

（2）中間漆

中間漆的主要功能是增加漆膜厚度，以增強漆層體質。作為底/面之間的過渡層，在涂層配套正確的前提下，具有提高層間附著力的作用。中間漆主要有環氧封閉漆、環氧云鐵中間漆以及厚漿型環氧中間漆等。國內最常用的是環氧厚漿涂料，而在橋梁、電站、港口和海上鋼結構等防腐蝕工程中，卻偏重于采用云母氧化鐵環氧涂料和玻璃鱗片涂料。兩者均以耐腐蝕的樹脂為主要成膜物質，分別以云母氧化鐵和玻璃鱗片為防銹顏料，再加入其他助劑而組成的厚漿型涂料。

（3）面漆

面漆主要有中低檔的醇酸涂料、丙烯酸涂料、氯化橡膠涂料以及高檔的聚氨酯面漆、氟碳面漆以及聚硅氧烷面漆。還有一些具有特種功能的防腐蝕涂料如防靜電涂料、耐高溫涂料等等。面漆主要作用是防止外界有害的腐蝕介質，如氧氣、水汽、二氧化硫以及化工大氣的影響。同時，面漆的美觀裝飾性也越來越受到重視。有時候，還要求最外層涂上一層清漆，如脂肪族聚氨酯清漆等，以獲得更為致密的屏蔽漆膜。

2.1.2　防腐蝕涂料的特點

防腐涂料除了具有在嚴酷腐蝕環境下應用和長效壽命特點外，還有以下幾個特點而區別于一般涂料品種。

（1）厚膜化

這是重防腐涂料重要標志之一。為此，現代重防腐涂料向高固體分、少溶劑、無溶劑化方向發展。涂層設計的目標是提高使用壽命，而使用壽命取決于腐蝕環境。這里使用壽命有兩層含義：其一是指涂層運行使用至下一次維修時的間隔期限；其二是指一次性使用至涂層失去保護功能的期限。涂層的使用壽命是根據被保護對象本身的壽命、價值及維修的難易來確定的，ISO 12944-5對于涂層的使用壽命分為三個等級：低，2～5年；中，5～15年；高，15年以上。當然ISO 12944-5所說的使用壽命絕不是商業“承諾防腐壽命”，而僅是涂裝設計一個技術參數，它的作用主要是為設計者制定一個比較合理的維修涂裝時間表以做參考。

涂層的厚度對使用壽命非常重要，實驗已經證明，在一定的腐蝕環境下，涂層配套確定之后，涂層厚度與保護壽命呈直線關系，如圖2-1所示。

Fick定律：腐蝕介質滲透達到涂層-金屬界面的時間與涂層的厚度平方成正比，與擴散系數成反比，其數學表示式為：

式中，t為液體腐蝕介質滲透至涂層-金屬界面的時間（t值越大間接表明防腐壽命越長）；L為涂層干膜厚度；D為介質擴散系數（取決于涂層與介質結構、滲透壓力、溫度等參數）。

由此可見，重防腐涂裝應盡量厚膜化（干膜200～1000μm），以提高涂層的使用壽命。

涂層厚度是根據腐蝕環境及使用壽命來確定的，三者的關系ISO 12944-5中有推薦要求，見表2-1。

（2）高性能原材料的研發是重防腐涂料發展的關鍵

在防腐涂料的研究中，對于高性能的耐蝕合成樹脂和新型的顏料、填料的研究與開發，國內外一直十分重視。一個重要的研究方向是在保持原有性能的基礎上，克服其缺點并開發多方面功能。例如，聚合硅氧烷樹脂的研發為克服丙烯酸樹脂耐溶劑性差、不耐高溫的缺點，采用有機硅氧烷原位、接枝聚合改性丙烯酸樹脂的方法，大大提高了丙烯酸樹脂的耐熱性和耐溶劑性，即丙烯酸聚硅氧烷涂料。氟碳樹脂的研發與應用已從高溫干燥型發展到常溫自然干燥型，設法降低VOC含量和改善重涂性是氟碳涂料的研究方向。導電聚苯胺防腐涂料的樹脂本身導電且防腐性能優秀，屬于本征型導電涂料。它克服了導電性與防腐性的矛盾，技術上比常規導靜電涂料高出一個檔次。聚脲防腐彈性體涂料和聚天門冬氨酸酯聚脲的性能與應用前景遠優于聚氨酯。新型鱗片狀金屬鋅粉替代目前廣泛使用的球狀鋅粉，防腐性提高（陰極保護+屏蔽效應），鋅粉用量可降1/3，制漆成本明顯下降。

（3）表面處理是決定質量的首要因素

對于防腐工程表面處理的重要性怎么估計也不為過，如同一座高樓大廈不能建筑在沙灘上的道理一樣。涂裝前表面處理方法很多，如酸洗磷化、機械打磨、噴砂拋丸等。對于不同行業、不同的涂裝對象可能采用不同的處理方法，但在重防腐領域，噴射除銹（俗稱噴砂）迄今仍是最佳的工藝選擇。其一，鋼材表面清潔度達標有保證（Sa≥2.5）；其二，表面粗糙度均勻（Rz=40～75μm）。而涂裝前鋼材表面粗糙度不僅增加了鋼材表面積，還為漆膜附著提供了合適的表面幾何形狀，有利于漆膜與底材之間的粘接和漆膜厚度分布的均勻一致。剛噴砂后的鋼材，表面能增大，處于活化態，3h之內噴涂防銹底漆，是涂料分子與金屬表面極性基團之間相互吸引與粘接的最佳時期。

噴砂工藝應盡量標準化、規范化。如應盡量采用金屬磨料，執行GB/T 18838.1《涂覆涂料前鋼材表面處理　噴射清理用金屬磨料的技術要求》（等同ISO 11124-1：1993），并可參考美國鋼結構涂裝協會（SSPC-SPCOM）所列出的噴射不同磨料所測得的粗糙度。噴砂后表面清潔度應執行GB 8923《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（等效采用ISO 8501-1：1988）。而表面粗糙度的檢查應執行GB/T 13288—1991《涂裝前鋼材表面粗糙度等級的評定（比較樣塊法）》（參照采用ISO 8503—1985）和GB 6060.5《表面粗糙度比較樣塊　拋（噴）丸、噴砂加工表面》等標準。噴砂作業應盡量在噴砂房內進行，戶外噴砂應采用帶有布袋吸塵器的噴砂設備，以利于環境保護和勞動保護。

涂裝前表面處理除了噴砂除銹外，噴砂前除油和除去可溶性鹽等污染物同樣是十分重要的前處理工序。一般施工者認為噴砂可以把它們清除，但是實際上只是把這些污染物的大部分深深地分散鑿在鋼材表面，形成更加隱蔽、危險性更大的污染。除油、除鹽可采用高壓噴射淡水（除油需加清洗劑）的工藝方法，可參照NACE No.5《高壓淡水沖洗的清潔標準》（相對美國鋼結構涂裝標準SSPC-SP12）和GB/T 13312—1991《鋼鐵件涂裝前除油程度檢驗方法（驗油試紙法）》。

（4）涂層配套的正確性

鋼結構工程重防腐涂裝，一般分為底漆、中間漆和面漆。底漆的主要功能是防銹，增強與金屬表面附著力；中間漆的主要功能是增加漆膜厚度，以增強漆層體質；而面漆除了裝飾性功能之外，還有更多方面的功能要求。在選擇涂料時，力求“底-中-面”三涂層配套正確，即要講究其配套性。一般沒有固定規律可循，大都是長期施工經驗的總結。例如固化類型一致，如不宜將烘干型涂料噴在溶劑揮發型（自然干燥）涂料上面；不宜將強溶劑的面漆噴涂在弱溶劑的底漆上面等。

（5）推薦采用“底-面合一”施涂工藝

近年來，為適應重防腐涂裝的需要，已有“底-面合一”的厚涂涂料出現，采用高壓無氣噴涂技術，一次可以噴涂幾百微米，甚至幾毫米，在大型鋼結構工程中得到迅速廣泛的應用。最常用的是高黏度環氧和聚氨酯涂料。這類漆固體含量一般在70％（體積分數）以上，甚至100％，施工時一般不加稀釋劑，因此宜采用高壓無空氣噴涂機進行噴涂，也可刷涂。由于環氧樹脂極強的粘接性能，使涂層牢固地附著在鋼材表面，形成一道厚的防護涂層，有效地阻緩外界腐蝕性介質的浸入，其防護期可達10年以上。

（6）涂裝現場管理是實現重防腐涂裝設計目標的重要環節

涂裝的目的在于涂層質量，而這是通過科學而嚴格的質量管理實現的。涂裝工程質量管理是一項全員參與、貫穿全過程的系統工程。涂裝工程質量管理包含很多的環節，其中最重要的部分之一是涂料生產廠家派出的涂料技術專業服務人員在現場對施工工藝的執行情況作出的檢查、監督、指導和糾正。對整個施工質量的控制具有非常重要的意義。

2.1.3　防腐蝕涂料的新發展

（1）鱗片狀金屬顏料在涂料中的應用

由于鱗片狀顏（填）料在漆膜中互相平行交錯疊加，切斷漆膜中的毛細孔，起到迷宮效應，能有效屏蔽和極大阻緩了外界水、氮、氯離子等腐蝕介質的滲透，提高涂層的抗腐蝕能力。目前，涂料工業中常用的鱗片狀防銹顏料主要有云母氧化鐵、玻璃鱗片等，屬于非金屬原料。考慮到片狀金屬具有良好的延展性、導熱性、可加工性以及裝飾效果獨特，市場發展前景良好，除鋁粉外，一些新型片狀金屬填料陸續投放市場，如鱗片狀鋅粉、鱗片狀不銹鋼粉等。

以鱗片狀鋅粉為防銹顏料，選用不同的基料（如硅酸乙酯、環氧樹脂、氯化橡膠等）可以研制出種類繁多的水性、溶劑型、無機或有機片鋅富鋅涂料。這些涂料不僅抗腐蝕性能優于普通球鋅富鋅涂料，并且由于鋅粉添加量的大幅度減低（例如：環氧富鋅底漆，球鋅不揮發分中鋅含量在70％左右，換成片鋅鋅含量可減至50％左右，節省金屬鋅粉用量約1/3），成本不高于甚至低于球鋅涂料。更由于其單位面積的涂覆量更大，施工涂層更薄，已經被國外公司大量用于集裝箱輥涂用車間底漆。所以，鱗片狀鋅基涂料是未來富鋅涂料的發展方向之一。

鱗片狀不銹鋼粉最早用于石油管道的厚漿型重防腐涂料中，由于其本身的耐酸、耐堿、耐磨、耐高溫等特性，增強了涂層的耐化學品性、耐老化性以及耐磨、耐高溫變化的性能。但是，傳統的不銹鋼鱗片的厚度太厚，其松裝密度都在2.0g/cm3以上，這就造成了不銹鋼鱗片在基料中的懸浮性不好，易沉淀。致使不銹鋼鱗片通常只能應用在噴涂厚度達到數百微米乃至數千微米的場合，使其應用受到了限制。

近幾年來，國外對不銹鋼鱗片涂料的研究有了突破性的進展，其突破點在于采用新的工藝，開發出超薄型的不銹鋼鱗片。例如：美國Novamet公司生產的超薄型不銹鋼鱗片的松裝密度在0.8g/cm3左右，片徑在10～30μm，厚度在0.6μm以下。采用這種薄型的不銹鋼鱗片，選擇適合的基料樹脂，開發出超薄型不銹鋼鱗片涂料，噴涂厚度僅為數十微米，而防腐效果卻能達到噴涂厚度為數百微米的防腐效果。電子顯微鏡放大的不銹鋼鱗片結構如圖2-2所示。

（2）高固體分涂料和無溶劑涂料的應用

通常防腐涂料每道涂覆干膜厚度25～50μm，要達到較大的膜厚，必然增加涂覆次數，這不但費工費時，更帶來大量的有機溶劑揮發而污染環境，不符合各國政府對涂料中揮發性有機化合物（volatileorganiccompounds, VOC）含量越來越嚴格的限制。而高固體分涂料和無溶劑涂料正由于其高固體分、低VOC、不含或少含溶劑，符合涂料工業環保、經濟、節能、高效這一大方向而日益受到重視。

在高固體分涂料中，環氧樹脂涂料應用最為廣泛。傳統的環氧樹脂涂料，體積固體分為50％左右，而高固體分涂料的體積固體分至少達到68％以上。很多高固體分環氧涂料的體積固體分達到80％～90％，溶劑用量則大幅度地下降。

無溶劑涂料則是高固體分涂料發展的必然結果。由于其徹底解決了有機溶劑揮發排放問題，對環境保護和勞動保護以及防火安全等均有積極意義。

無溶劑涂料廣義地講是指不含有機溶劑或水的涂料，狹義地說是指不含可揮發到大氣中的有機溶劑的液體涂料。傳統的清油、熟桐油是屬于廣義的無溶劑涂料。現代無溶劑涂料是指采用活性溶劑作為溶解介質的液體涂料。在其成膜過程中，活性溶劑與樹脂反應交聯而成為涂膜的組成部分，不像一般溶劑那樣絕大部分揮發逸出。

無溶劑涂料的特點包括：①厚膜化，一次可噴涂100～1000μm；②邊緣覆蓋性好，甚至對沒有處理過的鋼板邊緣也有很強的覆蓋能力，比溶劑型涂料效果更好；③涂層不收縮，內應力較小，無伸長力；④具有突出的物理機械性能、耐磨性與耐化學品性；⑤無溶劑揮發到大氣中，對環境保護和勞動保護以及防火安全等均有積極意義。

當然，提高涂料固體分并不是單純地靠減少或不用有機溶劑來達到，它涉及成膜樹脂的低黏度化、活性稀釋劑的應用以及新型助劑的應用等一系列新原料和新技術。

（3）水性涂料的應用

常用的重防腐涂料都是采用有機溶劑作為涂料體系的稀釋物。現在，人們開始意識到有機溶劑的危害性，主要存在以下兩方面。一方面考慮人類自身的健康。多年來，世界衛生組織（WHO）一直關注著這方面的研究。多項研究表明，如果沒有有效的防護措施，長期吸入有機溶劑，會導致所謂的“涂料綜合征”（paintersyndrome），主要表現在容易疲勞、記憶力下降以及神經系統方面的疾病。另一方面是有機溶劑對于環境造成的危害。有機溶劑揮發后，在紫外線的作用下容易分解，產生具有高活性的產物。這些高活性的產物會與大氣中的工業污染物以及汽車尾氣，如氮氧化物和硫氧化物反應，生成一些對環境有害的物質，如臭氧等。這些有害物會導致鹽霧、酸雨，影響生物的新陳代謝，導致全球氣溫變暖。

正因為有機溶劑的這些危害性，從20世紀70年代開始，歐美等國相繼出臺了相應的強制性法規，限制涂料中揮發性有機化合物（VOC）的含量，降低對環境的危害。近年來，國內也越來越關注這類問題，低VOC含量的產品成為今后涂料發展的趨勢。

水性涂料，顧名思義，是以水為主要溶劑，同時用水來稀釋和清洗的涂料。因此水性涂料的VOC含量較低，通常在50g/L以下。水性涂料因為主要溶劑是水，因此具有以下優點：①水的來源廣泛，凈化容易；②在施工過程中無火災危險；③基本不含苯類等揮發性有機溶劑；④水代溶劑，可節省大量資源；⑤涂裝時使用過的工具直接用水進行清洗；⑥工件經除油、防銹等處理后，不需要完全干燥即可施工。

在工業重防腐涂料體系中，主要應用的水性涂料有水性無機富鋅底漆、水性環氧涂料（包括水性環氧富鋅底漆）以及水性丙烯酸涂料。