水性工业防腐涂料

SLS20002003 · 发表于 2008-12-18 16:13:36

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1．引言
在工业防腐，特别是海上重防腐领域，水性工业防腐涂料仍然是一种新事物。多年来，
人们已经使用了多种水性钢铁防腐涂料。例如，50 多年前引入的无机硅酸锌涂料，40 年前引入的醇酸乳液涂料，35年前引入的丙烯酸涂料以及1973年引入的第一代环氧涂料。尽管水性涂料历史悠久，它在防腐领域的使用量还很低，原因是复杂的和多方面的。顾客较为保守，不愿意尝试基于新技术的涂料产品；在工业涂料领域的环保法规仍然很少；与溶剂型涂料相比，水性涂料的价格较高，性能较差，有一些使用局限性。在使用第一代的水性环氧涂料和丙烯酸涂料时，由于顾客对其缺乏认识，造成施工方法不对，使用条件不恰当，导致水性涂料失败的前期应用，人们也错误地认为水性涂料一点也不适用于防腐。但是，自那以后我们周围已经发生了很大变化，与溶剂排放相关的环保法规将在许多工业国家实施；原料供应商已经发展了新的树脂技术，制备的水性涂料的性能和溶剂型涂料越来越相近；引进了新的实况加速试验方法，使水性涂料的性能不断改进。已经有越来越多的成功应用例子证明，水性涂料可提供长久的防腐。同时人们的环保意识也在不断地提高。最新一代的水性工业涂料已经通过NORSOK M-501（修订版第四版）标准实验认可，供广泛的海上防腐应用。世界上只有一间涂料公司的纯水性涂料成功地通过认可，结合溶剂型底漆的混合系统的性能已经超过纯溶剂型涂料系统，也降低了每平方米的涂料成本。
2．水性涂料发展历史简介
2.1 涂料种类
早于20世纪40 年代，人们就开发了水性无机硅酸锌防腐涂料。由于该产品复杂的施工
过程，它没有取得较大的突破，但是澳大利亚的管道使用了这种涂料，40 年后仍处于完好状态，没有锈蚀。水性醇酸涂料相对来说较新，虽然40年代末就开始研究，但直到90 年代改性的醇酸乳液涂料才在工业上投入使用。60 年代早期，人们（特别是在美国）就着手开发和使用水性丙烯酸来进行金属防护。丙烯酸技术在70 年代早期得到进一步的改进，目前仍有涂装纯丙烯酸涂料系统的存储罐，它们依然保持良好的形貌。1973年，Anchor Chemicals公司开发了第一代水性环氧涂料。基于这种环氧树脂的涂料有很大的使用限制，性能也很差，在防腐领域应用不多。20 年后，我们开发了使用聚胺加成物进行固化的第一代高分子量固体环氧树脂分散体，这种树脂的大部分性能与溶剂型环氧涂料相当，所以这项新技术正在不断的获得新市场。80 年代中期出现了第一代的水性二组分聚氨酯涂料，90 年代其性能得到了很大的改进。在过去的十年间，人们开发了许多新的水性涂料技术，例如环氧富锌树脂，氟改性聚合物，聚硅烷，2-K 丙烯酸-丙烯酸，环氧-酯和聚酯等。大部分新技术的共同点是，随着人们更多地关注涂料溶剂的健康和环境问题，增加水性涂料在防腐领域的应用。
2.2 加速试验方法的变化
过去50年来，ASTM B 117持续盐雾试验是防腐涂料加速试验的工业标准，同时它也
是长久以来水性涂料难以取得重大突破的主要障碍。很久以前这个试验方法就失效了。试想一下，有多少涂层一天24 小时暴露在盐水和湿度下，但试验结果和实际情况却相差很大。
防腐性能可与溶剂型涂料相媲美的新型
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实际上，ASTM B 117对于暴露在户外的溶剂型涂料的相关因数只有0.5，水性涂料的相关因数更低。防腐涂料会暴露于各种各样的环境，例如阳光、雨水、热量、盐水和污染物等。重要的是，现在没有任何一个试验可以重现所有的这些环境现象。但是，我们已经在过去几年开发了新的试验方法，试验结果得到了很大的改进，相关因数已达到0.7（9-10），我们的试验正在接近户外的实际暴露环境。ASTM G 85 Prohesion试验采用盐水浓度为0.4wt％硫酸铝＋0.05wt%氯化钠，盐雾实验和干燥循环进行，结合Bolvo Scab 试验，我们取得加速试验的首次大改进。几年前我们实验室开始使用Prohesion 试验，结果表明，水性涂料的性能远比通过持续盐雾试验得到的结果好，也证明ASTM B 117和BS 3900试验结果是不恰当的。现在我们认为，评价水性涂料防腐性能最新和最好的加速试验方法是ASTM D 5894-96和NORSOK M-501（修订版第四版）的循环试验（5-9）。这两种方法的共同点是，循环暴露于持续盐雾条件和在空气和紫外线/冷凝室（ASTM G-53）中干燥条件；不同点是暴露在各室的小时数和整个试验的循环次数/星期数。ASTM D 5894-96试验的持续时间一般为12星期，而NORSOK 则需要25星期（4200小时）。在挪威SINTEF所做的研究表明，这两个方法能很好地相互关联。涂料在北海暴露（9）两年半后，与持续盐雾试验、Prohesion 试验和Volvo VITC试验相比，NORSOK循环试验可获得最好的相关因数。多年来许多研究人员一直在寻找涂料在人工加速试验和实际情况下相关因数。在荷兰的不同环境下，我们根据多年的户外暴露试验结果得出以下不同加速试验的相关因数。
相关因数r （r=1.0 意思是100 ％和实际环境相关）
户外暴露试验r = 0.85
浸水试验，500 小时r = 0.45
盐雾试验，1000 小时r = 0.50
循环TNO 试验，1000 小时r = 0.65
我们可以从上面这些试验及相近试验结果得出一个结论，循环试验可以得到比单一模式
的加速试验（如涂料只一次性暴露在单一环境中）更高的相关因数。加速试验的第一个要求是，它应该给出相关信息，从上表可以看出相关因数小于或等于0.5的试验结果是不相关的。
Appleman（1）指出，人们普遍认为持续盐雾试验并不适合用来重复外部环境或预测涂料的性能。因此这形成一个矛盾，持续盐雾试验，如ASTM B 117和BS 3900还在使用，或者还多次被要求采用。也许这正说明了工业涂料的顾客是多么的保守，引入变革是多么的困难。
这也是我们很难说服我们的顾客改用水性涂料的原因，因为他们都要索取我们无法提供的持续盐雾试验结果。
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图1. 挪威南部的海洋涂料试验地点
佐敦公司得出的结论是，在水性防腐涂料的加速试验中，我们只依赖于循环的盐雾、紫
外线/冷凝实验和海洋环境下的户外暴露试验。我们的户外暴露试验地点在挪威，处于一个严格的海洋环境。试验平台面向南方，呈45°倾斜，可暴露于雨、雪、冰、热、阳光和海雾等环境。我们很大程度上依赖于户外暴露试验，因为这是相当真实的，但是试验需要一定的时间。在2-5年的户外暴露试验中我们得到很好的相关因数，所以大多数情况下2年的试验时间足够获得真实的数据了。去年六月，我们决定尝试根据NORSOK M-501（修订版第四版）标准，对一些水性涂料系统进行实验认可测试。令人惊奇的是，我们全部的纯水性涂料系统都获得批准，50％的混合涂料系统（溶剂型底漆、水性中间漆和水性面漆）也获得批准。我们会在本文下一章进行详细阐述。
3．水性涂料系统的现有经验
3.1 海洋条件下的水性涂料系统
六年前，我们发布了适合海洋防腐的纯水性涂料系统。涂料系统包括：
1×40 微米水性无机硅酸锌底漆
2×80 微米水性液体环氧中间漆
1×50 微米水性丙烯酸面漆
在我们的海上试验地点经过六年多的户外暴露试验后，该涂料系统仍保持优异的防腐性
能。我们又和以下的高性能溶剂型涂料系统进行了比较：
2×200 微米溶剂型环氧乳香铝底漆
1×50 微米溶剂型2-K 聚胺面漆
我们发现水性涂料系统的人工划线蠕变小，性能好于溶剂型涂料系统。1994 年，我们
对这两种涂料系统进行了生命周期分析，结果表明使用水性涂料系统可以减少80-90％的溶
剂在大气中的排放，减少70％的暴露于用户的健康危害化合物，降低20%的每平方米涂料
成本。当时我们也证实，无论是在实验室还是在海上试验地点，水性涂料系统都可以在温度
低达5℃和相对湿度高达85%的情况下施工和干燥。尽管我们获得良好的试验结果，这些涂
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料系统都没有被北海石油公司采用。
回顾过去，现在我们得出的结论是，水性涂料系统没有被采用的原因很简单，防腐工业
是非常保守的。顾客敢于尝试甚至使用新产品之前，需要多年时间来记录使用新技术的相关
经验性数据（应用例子等）。当时环境当局还没有征兆表明他们会限制溶剂的排放和强制人
们改用对环境更加友好的溶剂型涂料产品。实际上顾客都乐意继续采用他们使用多年的溶剂
型涂料产品。
1995 年顾客也开始改用喷水清理作为海上维护的表面处理方法。另外，他们只能使用
通过NORSOK M-50 标准实验认可的涂料系统。这意味着涂料制造商只能再次考虑和开发
能够应用到喷水处理表面的底漆，进行长久、严格和昂贵的试验程序，才能通过NORSOK
标准实验认可。
3.2 混合涂料系统
我们拥有水性防腐涂料的最多实际经验是在使用混合涂料系统的区域得到的，在这些区
域我们结合了溶剂型涂料和水性涂料，形成一个完整的混合涂料系统，例如：
1. 水性环氧底漆＋溶剂型环氧面漆
2. 水性环氧底漆＋溶剂型环氧乳香漆＋溶剂型丙烯酸面漆t
3. 水性环氧底漆＋溶剂型1-K 中间漆＋溶剂型1-K 面漆t
4. 水性丙烯酸底漆＋水性1-K 中间漆＋溶剂型1-K 中间漆
5. 水性丙烯酸底漆＋溶剂型环氧面漆
6. 溶剂型环氧底漆＋水性环氧中间漆＋水性丙烯酸面漆
7. 溶剂型环氧富锌底漆＋溶剂型环氧中间漆＋水性丙烯酸面漆
8. 溶剂型环氧富锌底漆＋水性环氧中间漆＋水性丙烯酸面漆
9. 溶剂型硅酸锌底漆＋水性环氧中间漆＋水性丙烯酸面漆
10. 溶剂型环氧底漆＋溶剂型1-K 中间漆＋水性丙烯酸面漆
11. 无溶剂环氧底漆＋水性丙烯酸面漆
这些混合涂料系统使用在储油罐、轮船新建筑、管道、钢结构、桥梁上，都能获得良好
的防腐效果。在汽车工业，人们已经拥有很多混合涂料系统的应用经验。实际上，我们也看
到一些混合涂料系统（如系统8-9）的性能比纯溶剂型涂料系统好。系统8和系统9通过了
NORSOK M-501（修订版第四版）标准实验认可，表面处理都采用喷砂清理（Sa 2.5级）和
喷水清理。我们会在3.4节进行进一步的讨论。系统9需要额外溶剂型过渡涂层，每平方米
的成本比混合涂料系统高。下面是一些混合涂料系统的应用例子：
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应用例子1，挪威西海岸的储油罐，1995年采用混合涂料系统8。使用时间超过5年，涂料
系统仍处于完好状态。
应用例子2，阿尔及利亚的输气管道，1995年采用混合涂料系统7。使用时间超过5 年，涂
料系统仍处于完好状态。
根据我们公司和其他涂料公司的经验，说服顾客使用混合涂料系统比说服顾客使用纯水
性涂料系统容易得多。一旦顾客知道这些涂料系统是可行的，他们就会对水性涂料系统增加
信心，并且可能会进一步地使用纯水性涂料系统。可能还需要大约5 年的时间，人们才会在
大规模地使用纯水性重防腐涂料系统，至少在欧洲是这样。到那时，挥发性有机物指令才会
真正地影响人们对涂料系统的选择。水性涂料系统面临的最大挑战是，施工时确保正确的表
面处理、涂料施工、漆膜厚度、重涂间隔、气候条件和通风。我们多次看到由于使用错误的
重涂间隔而出现问题。如果快速干燥的热塑性水性面漆过早地重涂在慢速干燥的溶剂型中间
漆或底漆上，面漆就会封住中间漆或底漆的溶剂，导致两涂层间严重的附着力降低。所以，
很重要的一点是，当你改用水性涂料时，不能想当然地采用溶剂型涂料的重涂间隔。如果施
工正确，使用场合恰当，混合涂料系统就会具有优异的防腐性能。
3.3 纯水性涂料系统
除了3.1节讨论的水性涂料系统外，我们还列出如下的一些纯水性涂料系统：
1. 水性丙烯酸底漆＋水性丙烯酸面漆
2. 单涂层厚膜水性硅酸锌系统
3. 水性固体环氧底漆＋水性硬丙烯酸面漆
4. 水性环氧富锌底漆＋水性固体环氧中间漆＋水性硬丙烯酸面漆
防腐性能可与溶剂型涂料相媲美的新型