水性无机富锌与环氧富锌涂料的比较

BMA004 · 发表于 2009-2-27 18:28:23

本帖最后由 djb_19814444 于 2009-2-27 18:30 编辑

屠德容邵国环（天津化工研究设计院 300131 ）

摘要：从理论和实践上较全面地阐述了水性无机富锌和环氧富锌涂料（底漆）的性能。

关键词：水性无机富锌涂料；环氧富锌涂料；性能
0 前言
富锌涂料（底漆）分为有机和无机两大类，有机类主要采用环氧树脂作粘结剂（基料），而水性无机富锌涂料则以硅酸钠、钾、锂水溶液（基料）为粘结剂。
经历了近 70 年 3 代产品的开发和实践，水性无机富锌涂料以其优异的防腐蚀性、自修复性、耐热性、耐溶剂性、可焊性和零 VOC 排放，在大气和海洋重防腐工程中取得令人满意的效果，得到愈来愈多业内人士的认同。
近年来，各国为控制 VOC 的排放量，制定了日益严格的法规。在国外，水性无机富锌涂料替代有机类富锌涂料已成为最重要、使用最普遍的重防腐涂料品种。
虽然国内尚未制定 VOC 排放法规，但随着国人环保意识的增强以及对水性无机富锌认识的提高，自 20 世纪 90 年代开始，水性无机富锌涂料已在国内逐步推广。天津化工研究设计院自 80 年代初就对水性硅酸锂富锌涂料进行开发研制，成为国内最早研究、生产、应用该产品的单位，至今已广泛应用于大型原油贮罐、各类管道、大型建筑钢铁构件、海洋平台等大型设施领域，但由于国内使用该类涂料时间尚短，加上缺乏环保意识，因此目前国内作为重防腐底漆多数仍采用环氧富锌涂料，本文对这两种富锌涂料（底漆）的性能从理论和实践上作了比较全面的阐述，以引起人们的关注并与业内人士共同探讨。
1 性能比较
1.1 属性
水性无机富锌涂料以硅酸盐为成膜反应物与锌反应生成硅酸锌网状结构，因此可称为无机硅酸锌涂料，属绿色环保型涂料。
环氧富锌涂料是以环氧树脂为成膜物并以有机溶剂为稀释剂的涂料，属有机类涂料。
1.2 附着力
水性无机富锌涂料由于硅酸盐与锌粉反应的同时还与钢铁反应形成硅酸锌铁络合物，因而对钢铁表面形成很强的化学键，从而可抵抗水、海水、有机物、氯化物等的侵蚀。
环氧富锌涂料的附着力靠树脂对钢铁表面的粘结力，属物理吸附，初始附着力较好，但有机物的耐候性差，在恶劣环境下更易老化，从而附着力慢慢降低。
1.3 耐蚀性能
富锌涂料的防锈蚀机理是通过锌与钢铁基材表面直接接触，当腐蚀介质渗入漆膜与钢铁界面就会形成一个由锌 - 钢铁组成的原电池，因锌的电化学活性（标准电极电位为 -0.763 V ）较铁（ -0.449 V ）活泼，锌为阳极失去电子而牺牲，铁为阴极得到电子而得到保护，即所谓锌起到了阴极保护作用。
另外牺牲的锌形成 Zn 2+ 与空气中的水分和二氧化碳反应生成碱式碳酸锌［ 3Zn （ OH ） 2 · 3ZnCO 3 ］等产物，这些不溶于水、不导电的腐蚀产物填充在漆膜空隙中，如某点锌粉已消耗（或有漏点或缺损）则腐蚀产物就会沉积在此处基材上形成致密膜，阻挡、屏弊腐蚀因子透过，从而进一步延长防锈蚀的时间，这些反应的结果即所谓富锌漆具有自修复性能。
不论水性无机富锌涂料还是环氧富锌涂料，均具有阴极保护作用和自修复性能。
但水性无机富锌涂料由于硅酸盐在同锌粉反应的同时还与基材金属铁反应形成很强的化学键结合，而环氧富锌涂料仅为物理吸附，而且有机质导电性能较差，要获得同样的阴极保护效果时，环氧富锌涂料干膜中的锌含量应更高些。例如美国钢结构涂装协会 SSPC 某一型号富锌漆中对锌粉含量作了规定，为了该漆能导电而起阴极保护作用，该类漆的干膜中最低含锌量为：无机富锌为 74% ，环氧富锌则为 77% 。另外尚有实验证明，在无机富锌和环氧富锌底漆中加入磷铁粉 Fe 2 P 取代一部分锌粉，其阴极保护时间对无机富锌涂料而言，即使 Fe 2 P 含量达到 24% 与不含 Fe 2 P 时基本相当，但对环氧富锌涂料而言，即使锌含量高达 97% ，其耐蚀期仍远远不及无机富锌涂料，而少量掺入 Fe 2 P ，其阴极保护作用就会迅速消失。
因此，无机富锌涂料的耐腐蚀性远优于环氧富锌涂料。据（美国）国家航空航天总暑（ NASA ）报告（表 1 ），在各类富锌涂料中，耐腐蚀性最佳的为水性无机富锌涂料，它在海洋大气条件下的使用寿命至少为 25 年。
表 1 各类富锌涂料在海洋大气中的使用寿命对比

1.4 耐热性
工程中各类构件经涂装底漆后，下一步组装时切割和焊接是主要的加工作业，因此底漆的可切割性和可焊接性，即其耐热性能十分重要，即在作业时漆膜的烧损面积应小，一般蔓延应在 10~ 25 mm 内，水性无机富锌涂料在形成硬化膜时以聚硅氧烷（ Si — O — Si ）相结合，这种 Si — O 键的结合能为 445.2 kJ/mol ，比形成有机高分子的 C — C 键结合能（ 346.9 kJ/mol ）大得多，因而无机富锌涂料比环氧富锌涂料具有更强的耐热性，长期可耐 400 ℃ ，瞬间 800 ℃ 。显然在焊接和切割等热加工时烧损面积前者比后者要小。
1.5 导静电性
一般可用于防止和消除静电的导电涂料的电阻率为 10 6 ~10 8 Ω · cm 。当水性无机富锌涂料干膜中锌含量≥ 74% 时，其电阻率一般为 10 3 ~10 8 Ω · cm （符合石油部防静电标准），远低于一般导电涂料，即水性无机富锌涂料消除静电的性能远好于一般导电涂料。据报导，在各类大型原油储罐、溶剂储罐和燃油储罐中采用无机富锌涂料涂装成功的实例已经很多，天津化工研究设计院与天津中油渤星工程科技公司合作于 2000 年在海洋石油总公司绥中 36-1 项目中将 WZ-116 水性无机富锌涂料用于 2~5 万 m 3 大型原油储罐的内防腐，至今运行情况良好。
因有机物导电性能较差，因此环氧富锌的导静电性不及水性无机富锌涂料，见表 2 。
表 2 水性无机富锌涂料与其它导电涂料导电性能比较

1.6 耐有机溶剂性
这是水性无机富锌涂料的一个突出性能，几乎在所有烃类溶剂（包括原油、燃料油、汽油、甲苯、二甲苯以及其它脂肪烃和芳香烃石油产品）中都不溶。对许多强溶剂，如醚、酮以及氯化烃均具有很强的抵抗能力。
环氧富锌涂料因以环氧树脂为粘结剂，属有机类，显然对原油等的抵抗性能远不及水性无机富锌涂料。
1.7 环保安全性
水性无机富锌涂料以水为稀释剂，零 VOC 排放，无闪点、不燃、不爆、无味、无毒、无污染。不但保障了工人的健康和环境的舒适感，而且无需采取任何防火措施，大大简化了施工条件，既节省费用又提高了效率和安全性。
环氧富锌涂料，不但环氧树脂本身为有机物，并以有机溶剂，如苯、二甲苯等为稀释剂，显然其环保和安全性无法与水性无机富锌涂料相比。
1.8 配套性能
一般来说，环氧富锌涂料较易与各类面漆配套，水性无机富锌涂料除油性漆和醇酸漆不能配套外，可与目前普遍使用的环氧、丙烯酸、聚氨酯、乙烯类漆配套，如涂环氧过渡层漆则可与更多的面漆配套，且效果更佳。
虽然一般来说水性无机富锌底漆的配套性能不如环氧富锌底漆，但目前可配套的面漆品种仍很多，完全能满足防腐工程的需求。
1.9 施工性能
（ 1 ）基材表面处理
水性无机富锌漆在成膜过程中与钢铁表面形成化学键，因此对基材表面的处理要求严格，必须达到 Sa 2.5 级，并使表面有一定的粗糙度，增加表面积，确保锌粉能同钢铁紧密接触。
环氧富锌涂料附着力主要由有机树脂对基材的物理吸附贡献，因此对基材表面处理程度可相应降至 Sa 2.0 级，但实际施工中也要求达到 Sa 2.5 级。值得指出的是，在重防腐领域， Sa 2.5 级是普遍采用的级别，目前喷砂（喷丸）技术完全可以达到。
（ 2 ）施工环境问题
水性无机富锌涂料以水为稀释剂，只有通过水分的挥发才能使湿膜形成硅酸锌致密网状结构的漆膜，因此这类涂料对施工环境，如气温、湿度、风力等比较敏感，相比之下，环氧富锌涂料由于以有机溶剂为稀释剂，较少受环境的影响。
值得提出的是， WZ-116 系列水性无机富锌涂料已能满足不同环境条件下的施工要求。另外，对自动涂装流水线作业而言，因基本呈封闭型，大大削减了外部气候环境的影响，对水性无机富锌涂料的施工十分有利。
2 结语
（ 1 ）水性无机富锌涂料因其硅酸盐粘结剂在与锌粉反应的同时还与基材钢铁反应，系化学键相结合，其耐蚀性，作为重防腐涂料的使用寿命，大大优于环氧富锌涂料。（ 2 ）水性无机富锌涂膜的耐热性、耐有机溶剂性、导电性均优于环氧富锌涂膜，因而更适合作为各类油品储罐的内防腐涂料。（ 3 ）显然，水性无机富锌涂料的环保安全性能大大优于环氧富锌涂料。（ 4 ）虽然水性无机富锌涂料对施工环境条件较为敏感，但 WZ-116 系列产品在这方面已有很大改进，可适应不同施工环境的需求。（ 5 ）随着环境保护愈来愈受到全世界的关注，各国为节约能源和控制 VOC 的排放量，制订日益严格的法规，人们的环保意识也日益增强，尽量采用质高又环保的产品已成为人们的共识，水性无机富锌涂料代替环氧富锌涂料已成为一种趋势。