防护涂料的性能和选择

力龙涂料

“国际防护涂料”协会的Mike Mitchell在本文中阐述了他公司在“涂料体系总体 性能”方面的经验,很显然问题的关键已从每平方米的施工成本转移到每年每平方米的防护成本。因此在新建筑物上,涂料体系的选择也应考虑到建筑物的“设计寿命” (事实上大多数建筑物的使用期超过它们无法计算在内的设计寿命)。人们需要考虑何种维护可能是必要的,如何才能简单地进行维护,以及维护体系的使用期也有必要 仔细考虑是否仅需防腐保护,是否外观的装饰性也很重要。
作为室温固化液体涂料的制造商,Courtaulds(及其竞争对手)应特别意识到来自金属热喷涂的竞争有明显增强的迹象,尤其是铝热喷涂,因为在那些不再适用传统的镀锌工艺的大型工件上碰到了难题。在许多国家中,虽然施工工艺速度仍很慢(以每小时 来计),但加工成本却稳步下降。
为了对所采用的方法获得一些了解,有必要考虑各种涂料体系的背景以及如何进行性能测定和比较。
对于首次新构件,多年前的传统方法是先用清除了轧制鳞片的钢制造,运往施工现场再进行装配。在用干性油红丹漆涂覆之前,把它放置在外经受风吹日晒。虽然在许多领域中可使用这种方法,但不可能得到好的长效性能,尤其在化学侵蚀和海洋环境中更是如此。需要常规维护保养,大多数传统的大工件需要很大的油漆班组,不断进行油漆,以保持工件在腐蚀和外观上都具有较好的状态。应该注意在该过程中,由于新工件的底材不具备一致的再现性,所以无法精确规定和控制维护涂装。
对新工件起初的喷砂清洁方法的采用,使工件的外观及轮廓可使用清洁度来定义。(虽然如此,试图用溶解的盐或其它杂质来进一步定义表面的化学清洁度的工作仍在进行之中)。
如果没有喷砂清洁,作为重要的钢结构件防腐涂料的环氧涂料,其优势能否保住令人怀凝,当然富锌底漆也不可能有如此广泛的应用。除环氧防腐底漆及屏蔽涂料外,高颜料浓度无机碱金属硅酸盐锌涂料(富锌),如硅酸钾或硅酸锂(水性)或四乙基原硅酸盐 (溶剂型)涂料的应用也得到了发展。 1
这些涂料有典型的锌/锌金属接触(理论上接近球形堆积密度的体积浓度须大于66%),底材受到电化学保护(用锌作阳极相同的方法)。为了做到这点必须清洁底材到让其相互接触。同样可配制锌环氧涂料,但环氧能具有的高锌浓度,在硅酸盐中就不能达到同样的镀体积浓度,因而降低了电化学保护作用。富锌涂料中存在的大多数传统的聚合体系(干性油)如果经受到碱性环境时,易遭破坏(皂化),因此在这之前,不太容易配制出高效的富锌底漆来。
如果利用环氧的高耐腐蚀性和富锌底漆的电化学性能,加上用喷砂处理使表面达到一定程度的清洁度,便可真正达到长效的保护作用。
虽然每一位工程师都采用了他们了解到的“高质量”涂料体系,但任何事并不都是完 美的或没有困难的。由于大气湿度低使硅酸锌没有完全固化造成性能上的失败,由于配制不当环氧在暴露过程中出现脆化也会造成失败(可能是由于存在不相容的增 塑剂或环氧与胺固化剂比例不当)、这些问题的存在,使人们仍使用简单的传统型醇酸或干性油体系或者也许近来迅速减少使用氯化橡胶或乙烯系热塑性体系。表1显示了广泛使用的产品类型在老化中出现的缺点。应该注意到缺点产生的程度根据配方和时间的推移有很大的不同。70年代英国对桥梁的修补是个例证。早期的无溶剂环氧 配方在五年后结果良好,但10年后出现片落。
从我的经验中可得出这样的结论,用处理名义上性能相同的商品的方法来处理所有涂料是危险的。当然实验室测试和现场测试都没有出现这种情况。实验室 测试将在以后作更详细的讨论,现场测试随快速变化的环境,健康和安全性影响,实验室测试(相关的微观自然环境)是不实用的,它仅表明使用期。事实上我认为使用者应对他们的涂料供应商有信心,确信他们将来还在,确保产品设计按认可的标准如ISO9001进行,可能的话建立自己的审核方式,或建立在某种程度上对产品性能独立的检验。
过去20年中,为了对在一些特定的环境中各种防腐体系的使用期或到第一次维护保 养时的寿命定一个指标，人们已做了许多努力。其中第一个是BS5493。
在该标准中,从乡村到沿海工业区广泛的环境范围内,规定涂料体系使用期<5年(短期)、5～10年(中期),10～20年(长期),>20年(超长期)。该标准的背景很大程度上受 电镀工业的驱动,电镀工业中电镀的寿命在许多环境中可由测量失重推断出来。从涂 料的角度来看,该标准的一个缺点是对于含有较小量有类似属性关键物料,如磷酸锌, 云母氧化铁或云母氧化锌的所有涂料,都按相同的方法来进行。正如前面提到的,情况确实并非如此。由于在本标准中没有提供所需要的施工现场或实验室测试数据,标 准的实用性被削弱。即使对所谓简单的醇酸体系,在看起来相似的原料中,对干性油类型的选择,干性油的用量以及聚合工艺将引起漆膜性能上很大的差别。所有这些 在不同程度上都有同样的缺点。 2
在环氧体系中,尤其是目前流行的高固体涂料中情形更糟。聚酰胺固化的固体分50% 的环氧与相同物料固体分80%的产品是完全不同的产品,聚合物网络中交联点之间的距离要短得多(～1/2),这将影响性能如柔韧性,固化度,附着力等。
SSPC及NACE都试图着手解决同样的问题。就NACE而立,这项工作已在全美许多环境中对各种工业体系进行了一系列大规模的现场曝晒试验。这比上面的标准给定了更好的 性能指标,但是,迅速地变更测试规则意味着在大多数情况下对涂料进行的大量测试数据不再有用,同样,满足性能的环境也有可能改变了。
最近的标准试图对用于钢结构保护的涂料体系用类型和使用期来标准化,即ISO12944, 目前还是草拟方案,预计明年将全部发表,该标准中适用期范围为: ·低2-5年　 ·中 5-15年　 ·高 >15年　
致力于该项目工作的委员会认为,不同性质的环境对许多涂料体系有非常不同的性能影响。在这种情况下,需要对已知性能的体系进行实验室测试,给出取决于最终使 用环境的参数。
该标准的一个主要特点是规定了使用期或到第一次维护保养时的寿命,并将它从作为保证性能中明确地分离出来。当破坏出现Ri3(ISO4628-3)时,认为应进行第一次维护保 养。
已经尝试对预期的使用期进行相关的实验室性能测试,实际上这仅仅是先期的测试方法。近年来腐蚀测试已有很大的改进,不再是简单的盐雾试验如ASTMB117,按ISO7253 进行循环腐蚀周期测试如NACE0184或模仿Sherry等人的工作进行粘聚力/QUV测试(AST MG5894)。应该指出如今大多数高质量系统在这些测试中不显示出任何损坏,根据通 常只有几毫米的划线处膜下蠕变进行评定。但是,应说明的是在进行的4000h测试周期中,许多醇酸和热塑性体系显示出明显的损坏。
Tromso大学的Sintef材料技术组会同挪威海上工业公司已着手进行了许多工作。该项工作试图减少涂料问题以及海上构件的损坏。工作包括评定涂料在沿海曝晒,海上曝晒的性能,实验室测试包括耐阴极脱层和电阻光谱法。相当长一段时间内表明实验室测试很难与户外曝晒有关联,并且很难进行电化学测试。Courtaulds实验室内部工作与之匹配,既可用于评定单层也可用于评定涂有面漆的锌底漆。即使在整个体系测试400天后,用EIS仍能进行敏感的测量。其中只有底漆达到了传统的期望值。 3
Martin等人采用了稍微不同的方法,试图预示涂料体系的使用期,在这种情况下,着重在实验室中重复早期的破坏,开发和改进工作上致力于向上推至第一次损坏的时间,这种方法用于许多其它工业中。
关于现场性能值得注意的是石油公司在北海操作时采用的到首次维护时的使用期,用于计算构件保护的使用期成本。那种环境相当严酷,因此可充分预计岸上构件到首次大修可有很长一段时期。这些结论非常符合我们所观察到的现象。
在新工件上最有可能获得良好的防护涂料体系。表面按可控制的标准处理。在许多情况下涂料体系能在进行一定程度控制的环境中施工,这样体系能达到最长的使用期。 但不一定总是需要高质量昂贵的涂料体系。许多室内建筑或在干燥的乡村环境中的钢材使用简单的醇酸体系就足够了。但是在污染和潮湿的地方,主要选择上述提及的 专用涂料体系。
国际社会在全世界范围内积极推广用于钢结构件的涂料体系已超过二十年,包括中东,欧洲,北美和南美,大洋洲。在此期间内积累了丰富的经验,考虑本地条件及环境 保证了体系在各地具有充分和良好的性能。从总的防护成本价格可明显看出,油漆仅是总成本中很少的一部分,即使在劳动力成本相对较低的国家并使用了较长使用期的体系,每年每平方米的油漆成本还是维持在较低水平。
表1:用于防护涂料的成膜体系在长效性上可能存在的缺点 　
干性油
热塑性
热固性
无机物
醇酸，油基树脂环氧酯等
氯化橡胶，乙烯，丙烯酸
环氧，聚氨酯
硅酸 盐
由于空气氧化作用继续进行交联引起脆化,造成开裂或片落
老化中增塑剂失效形成细裂纹
环氧-由于催化剂的错误使用产生均聚,形成细微开裂
起始固化差造成体系脱层
基料不耐紫外光造成粉化
含氯涂料材料高温(70℃)时脱去氯化氢
环氧严重粉化
腐蚀破坏-锌金属含量不足
干膜厚度的差别造成开裂
吸垢
脆化
脱色
化学环境对基料的侵蚀引起降解
聚氨酯-过早失光(UV吸收剂)
结论
耐化学性好,但长效
正确配制并按说明
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在所有情况下,对长效防腐保护化学本性较弱
性可能较差
正确配制时具有优异的长效性
使用可得到优异的长效保护性 　
长效涂料体系的未来
总体寿命保护周期这个概念已被广泛接纳,防腐重要性似乎更集中于长效性能,成本总是重要的,但是在工程起始油漆原料成本几乎是微不足道的。
这就允许涂料工业可开发新型聚合物,改进耐久性和疏水性,由于活性物质作为体系的结构单元,因此与现有材料相比更具长效性,但成本较高。典型的改性材料可能是有机硅系。它综合了上述许多性能于一体,具有低粘度,同时又可达到高固体分,低VOC。表明了这种研究可能得到比聚氨酯更好的耐久性,在同样厚度下比环氧更具防腐性。原材料成本比环氧贵200%～300%,但肯定使用期更长,在许多需要长效保护的行业似 乎可以接受。 可供选择的另一种途径是采用短效,低价体系,这已在许多领域中应用,可作为单层涂装体系或底漆加单层涂装使用,一般总的干膜厚度超过400μm。在环氧中使用玻璃片着色虽然不能达到上述体系的水平,但可改进不渗透性和耐久性。
维修涂料
我相信具有长效性而又低成本的最有效路线是在新构件上尽可能使用最佳体系。所有构件在使用期内某些方面必然要进行某种程度的维修涂装,应指出在损坏Ri2而不是Ri3时进行再涂装更便宜并更有效,除此之外,由于需要进一步的表面处理也将提高 成本。
即使表面进行了喷砂处理,对同一体系性能预计还会有很大的差别。这是由许多因素造成的,在海上情况可能比在海岸上这种现象更显著(注意建筑在开垦地上的构件可能不是这种情况,那里可能存在大量的氯化物或处于化学环境中)。在理想的维修涂装情况中,能较大地影响长效性能的因素是:　
·喷砂钢材上涂层间的盐污染; ·高湿度造成胺起霜,引起涂层间水污染; ·温度低固化不充分 ·由于环境条件造成面漆涂装间隔过长,引起层间附着力问题。
由于操作设备可能有危险,在许多情况下维修涂装过程中不可能进行喷砂处理,只能用电动清洁工具或手动清洁工具进行表面处理。无论在清洁度还是外形上,这两种方法都很难达到高
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水平的表面处理。要除去牢牢粘附的锈铁和锈皮也很困难,许多情况下要对氧化层抛光才可除去锈蚀。在该过程中铁还将再生成氧化铁达到热力学稳定状态,因此表面处理一旦开始就要继续下去。涂料的使用减慢了腐蚀反应但不能使它停止。所有涂膜都是多孔的,可一定程度地渗透水蒸气,氧气及离子(注意淡水槽中,在 氯污染钢材上涂膜起泡,即为渗透现象),因此当底材上存在腐蚀污染时,腐蚀产物将继续在涂层底下扩展。因此对应用于手动或电动清洁的钢材上与应用于正确处理的 侵蚀钢材上的涂料有不同的性能要求。例如,在一个很小的尖顶上使用高性能硅酸锌底漆,由于没有合适的外形,难以形成良好的附着力,同样在富锌底漆中由于氧化层存在电化效应明显降低。在手工清洁的钢材上附着力是关键,早期对环氧的应用有许多附着力失败的例子。近年来高固体分环氧树脂的开发,使得它在手工处理钢材上能达 到高性能涂料的某些优点。这些材料有许多特性:
·改进了柔韧性(减少了基材体积变化引起开裂的趋势); ·改进了附着力; ·改进了耐水性。
即使在破坏达到Ri3时进行维护,仅只是总体的1%;因此大多数底漆可能施用于现存坚固的涂膜上而不是裸钢上。由于新涂层和现存体系间的热扩张系数有很大的差别。( 许多不同的化学性能),这将导致开裂,因此配方很关键。
很明显应用在整个已老化涂膜区域上的涂膜仍是很关键的。在新构件上需要使用高质量体系的观念已被广泛接受,事实上已证明这在项目所有成本中只增加很少的成本。然而对维护有很不同的理解,人们认为维护和修整似乎更容易,只需采用单组分体系如醇酸或热塑性体系。首先热塑性材料在手工处理钢上不能很好地湿润,渗透,操作, 具有上述提到的所有缺点。另外它们固体分低,增加了需要的涂装量,从而提高了整个施工成本。醇酸及油改性材料稍微不同。它们仍存在上述提到的所有问题,由于它 们是多道涂层,这更难确定红丹漆在手工处理钢上会有普遍优异的性能,在亚麻油中 红丹漆(如,BS2523)具有较好的性能,但同时存在许多缺点如干燥极慢以及耐化学性差。
虽然初看起来在维修涂装中使用传统单组分材料似乎较有益,但使用环氧由于实际得到的额外性能。得到的利益多于前者。是使用40%～50%固体分的醇酸或热塑性材料,还是80%～90%固体分的环氧,表面处理成本是一样的,重要是施工成本。
涂刷二层环氧得到的干膜厚度为200μm-在大多数环境中足以形成长效保护(如果需要可使用聚氨酯面漆)。二层醇酸或热塑性漆不一定能达到100～125μm的干膜厚度, 多数情况下不适宜用聚氨酯罩面,外观装饰性能不满意。因此在10年期间,有可能要进行维护和修补,见表2。 6
在化学侵蚀较严重的环境中,醇酸体系可能需要更频繁地修补(一般热塑性体系由于干膜厚度不足,效果较差)。
使用期12年以内成本,如下:
·环氧-3-表面处理/检修/施工(即,300单位施工费比90单位油漆费)。 ·醇酸-4-表面处理/检修/施工(即,400单位施工费比100单位油漆费)。
一般涂料成本大多是总成本的25%～30%,在该范围内,醇酸体系大约比环氧贵28%。 总之,对于维修涂装,值得在监督培训上投入力量,如有必要应允许使用较好使用的 高性能体系,这更有利于节约总的成本。
表2
1年
4年
6年
8年
12年
2×100μ环氧
2×100μ环氧
2×100μ环氧
1×50μ聚氨酯
1×50μ聚氨酯
1×50μ聚氨酯
或 3×50μ醇酸
3×50μ醇酸
3×50μ醇酸
3×50μ醇酸
3×50μ醇酸
维修涂装的未来
我不相信在锈蚀钢材上刷漆是“神奇”或“有魔力”的方法,实际条件下大多不能形成真正良好的“锈蚀固化”产品。当更广泛地使用新型表面处理方法如超高压水喷砂法,维修涂装将得到改进。Courtaulds已将用于干喷砂表面的高质量涂料的性能与用于超高压湿喷砂钢材上的正确配制的涂料的性能进行了比较。几年以来这些体系有 成功的销售业绩。