水工金属结构水性无机富锌涂料研究进展.pdf

第44卷第20期
人民长江
Vol 44. No 20
2013年10月
Yangtze River
Oct.,2013
文章编号:1001-4179(2013)20-0061-05
水工金属结构水性无机富锌涂料研灸进展
磊2,陈、亮2,涅在芹1,李珍2,ュ山
(1.长江科学院材料与结构研究所,湖北武汉430010;2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中
心,湖北宜昌443002;3,美国田纳西大学诺克斯维尔分校,美国田納西州诺克维尔斯市TN37996)
摘要;针对传统水性无机富锌涂料耐水性差和脆性高等问题,可通过对该涂籵进行改性提高其力学及电化学
性能。为此,结合水性无机富锌涂料的应用情况和防腐机理,在总结前人研究成果的基础上,分别从成膜物质
的政性、填料的改性以及助剂的政性三个方面入手,探讨改善水性无机富锌涂料性能的途径。提出了水性无
机富铧涂料在水エ金属结构防腐中尚未解决的问题以及未来研究方向。
关键词:金属結构;防腐;涂料;改性;水利工程
中图法分类号:TV34
文献标志码:A
水工金属结构是水工建筑物的重要组成部分,水
水性无机富锌涂料的防腐原理
利工程的特殊性决定了金属结构经常浸没在水中,或
处于干湿交替的环境中,长期受到各种水质、水生物等
屏蔽作用。富锌涂料中的锌粉和材料经腐蚀
的侵蚀和高速水流冲刷,以及空气中二氧化硫和酸雨后生成的氧化锌、氢氧化锌、碱式碳酸锌、破式氧化锌、
的侵蚀等。此外,泥沙和其它漂浮物的冲击磨损也会硫酸锌等含锌化合物在涂层中形成了无数的微小区
使钢材发生严重腐蚀,从而降低结构的承载能力,严重域,减少了涂层与金属基体之间的热膨胀系数差,降低
成胁到金属结构的安全性。总之,如何有效地解决水了涂层硬化时的收缩率和涂层内部的应力,抑制了涂
工金属结构的腐蚀问题,是水利水电工程建设中面临层的龟裂、脱落,提高了涂层的粘结力和抗介质渗透能
的重要任务。
力,从而提高了涂层的防腐蚀性能。
自从20世纪30年代澳大利亚人 Victor Nightin
(2)牺牲阳极的电化学保护作用。富锌涂料中含
gale发明富锌涂料以来,国内外学者对其进行了大量有大量的锌粉,锌粒子之间、锌粒子与钢铁表面之间紧
的研究,并在此基础上研制出了多种富锌涂料,其中水密接触,与电解质溶液一起形成一个个小电池。由于
性无机富锌涂料具有优良的耐腐蚀、耐老化等性能。锌的电位比铁更负,所以在电解质溶液中锌原子容易
与有机富锌涂料相比,水性无机富锌涂料的最大优点失去电子变成阳极,铁则为阴极。在阳极区,锌失去电
是VOC零排放,在水工金属结构防腐中具有广阔的发子而被腐蚀,在阴极区钢铁表面不断得到电子,从而得
展前景。然而,传统的水性无机富锌涂料存在耐水性到保护。
低、脆性高、基材表面处理要求高等缺陷,以及附着
(3)涂膜的自修复和钝化作用。当涂膜损伤后,
力不够高、电化学性能不够强、固化时间达不到要求等锌的产物就在此处沉积,形成一层保护膜,阻挡电流通
问题,无法满足水工环境高标准的使用要求,因此需要过,延缓腐蚀继续发生。涂料涂覆于钢材表面,阻挡了
对水性无机富锌涂料进行改性,以解决上述缺陷问题。一些电化学作用发生,对底材起到良好钝化作用。
收稿日期:2013-08-31
基金项目:国际科技合作项目“水工新型防护涂层材料制备与应用的合作研究”(2010DFB70470);科技部科研院所技术开发研
究专项资金项目“新型抗冲磨抗冲擅材开发与应用研究”(2011EG136224);国家自然科学基金项目(51001018)
作者简介:刘磊,男,硕士研究生,主要从事水利工程建筑材料开发与应用研究。E-mail:moulay@tom.com
人民长江
2013年
2水性无机富锌涂料的改性
20世纪70年代,美国NASA太空总署的研究人
员首次通过提高硅酸钾的模数,研制出自固化无机富
水性无机富锌涂料主要由成膜物质硅酸盐、溶剂、锌涂料。这种涂料的附着力较之以往有很大提升,但
填料锌粉和助剂组成。
是实践表明,硅酸盐溶液的模数不宜过高,因为随着模
水性无机富锌涂料的改性,其本质上是成膜物质、数的提高,活性-0H基团增多,与锌粉反应速度大大
锌粉以及助剂的改性。成膜物质的改性对涂料的加快,不仅较难贮存,而且固化时间和涂装间隔较短,
附着力等物理性能产生重要影响,锌粉的改性主要是给使用造成很大困难门,所以硅酸盐的模数应该根据
提升涂料的电化学性能,助剂的改性提高了涂料的综实际应用情况来选取。如图2所示,当模数为5.1
合性能。
5.5时,涂料的固化时间和涂层附着力都较为合理。
2.1成膜物质的改性
成膜物质是涂料的基础,它将涂料中的所有组分
连接成一个整体,附着在金属基材的表面,并形成一层
固代间
均匀连续的保护膜,对涂料的耐水性、脆性、附着力等
附力「
性能起着决定性的作用。水性无机富锌涂料的成膜物
质为硅酸盐溶液,在成膜过程中,硅酸盐溶液与锌粉以
及钢铁基材表面的铁元素生成硅酸盐聚合物(如图1
所示),通过化学键将涂层和基材连接在一起。对
酸む数
于传统的硅酸盐成膜物质而言,其涂层与基体之间没
图2硅酸盐模数与固化时间和附誉力的关系
有足够的化学键连接,涂层的附着力较低;同时改进涂
层脆性很高,在外力作用下极易脱落;耐水性差,涂膜
彭刚阳等将模数为3.5~3.7的硅酸钾溶液与计
易受浸蚀。针对这些问题,常用的改进方法有改性高量的硅溶胶混合,搅拌后滴加1%-4%的有机硅氧
模数硅酸盐、碳纳米管改性硅酸盐、互穿聚合物和硅酸烷,持续搅拌后得到成膜物质,再与锌粉按照30:70的
盐溶液的复配等。
质量比混合,最终得模数为5.5,固含量为25%的高模
数硅酸钾富锌涂料。按照这种方法制成的富锌涂料不
仅与基体之间附着力强,而且贮存稳定,可作为长效重
防腐涂料使用。
赵力等将湿润的纳米SiO2加入硅酸钾溶液中,
0si0si0si-o
搅拌后用10%的氢氧化钠溶液调整其pH值为12~
13,制得无色透明、储存稳定的高模数硅酸钾溶液。该
专利制成的溶液模数为5.1~5.6,黏度为12-14s,以
这种改性溶液作为成膜物质的富锌涂料,同样具有较
图1羟基与锌粉及铁的键合作用
强的稳定性和涂膜附着力。
2.1.2有机酸盐改性硅酸盐溶液
高模数硅酸盐水溶液
耐水性差是传统水性无机富锌涂层的一个重要缺
提高硅酸盐的模数,即是提高硅酸盐中SiO2与氧陷,以硅酸钠溶液为例,在固化成膜后,钠水玻璃重新
化物摩尔数的比值,使得溶液中活性-0H基团增多,发生水合作用,即涂膜中大量游离的纳离子和-OH
增加硅酸盐与金属底材中的铁离子之间键合作用,促基团吸收水分并且浸蚀涂膜,导致硅氧键断裂重新溶
使基材表面上更多的铁离子成为漆膜无机大分子网状解。钠离子和-OH基团都有一定的亲水性,但由于
结构的一个组成部分,从而加强涂膜与基材之间的附钠离子的亲水性要比-0H基团强很多,所以涂膜的
着力。提高硅酸盐模数最常用的方法是,根据所需要耐水性主要取决于钠离子数量的多少。解决该问题最
的模数,向硅酸盐溶液中加入不同计量的硅溶胶,然后好的办法就是用憎水基团取代钠离子。王盼等选用改
通过加热搅拌制得。其中硅溶胶为纳米级的二氧化硅性剂乙酸铵、草酸铵和