铁路桥梁支座用环氧富锌防腐涂料耐盐雾性能研究

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铁路桥梁支座用环氧富锌防腐涂料耐盐雾性能研究
曾凡辉1、2  姜其斌 1  包胜军1 陈宪宏2
1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲  412007
2.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082
摘要：通过对铁路桥梁支座用环氧富锌防腐涂料的耐盐雾性能进行研究，制得了具有优异防腐功能的新型环氧富锌涂料。研究了涂膜的PVC值、硅烷偶联剂和环氧固化剂对环氧富锌防腐涂料耐盐雾性能的影响。结果表明当涂膜的PVC值为42％，干漆膜中锌粉含量为82％，且配方中选用某环氧基硅烷偶联剂和某腰果油改性环氧固化剂时，环氧富锌防腐涂料的耐盐雾腐蚀可达1518小时。
关键词：环氧富锌涂料；防腐涂料；耐盐雾
1、前言
近几年，我国铁路经历了六次大的提速，同时新的高速客运专线的建设也已全面展开，从安全的角度看，列车的提速，要求尽量减少铁路弯道和平交道口，则需要建设大量的铁路桥梁，同时也为铁路专用的桥梁支座提供了广阔的市场应用前景。高速铁路专用桥梁支座要求使用寿命80～100年，防腐涂层维护周期为20～25年，能够适应C4和C5级的大气腐蚀环境，耐盐雾腐蚀（划叉）大于1000小时，普通的防锈涂料很难满足如此苛刻的要求。
环氧富锌涂料是一种耐腐蚀性能优异的重防腐涂料，已广泛应用到工业防腐的各个领域。富锌涂料的防腐蚀机理主要是锌的电化学保护作用，利用锌的电位较铁基负，形成一个以锌粉为阳极，钢铁为阴极的电池,在腐蚀环境中腐蚀牺牲锌粉（阳极）而保护钢铁（阴极）。
本文通过对环氧富锌涂料进行耐盐雾腐蚀试
验研究，制得了具有优异防腐功能的新型环氧富锌重防腐涂料。满足了高速铁路专用桥梁支座防腐的需要。
2.试验部分
2.1主要原材料
环氧树脂,工业级，岳阳巴林石化公司；锌粉，           325目，长沙锌业公司；硅烷偶联剂，化学纯，          武大有机硅公司；流平剂，化学纯，德国毕克公司；防沉剂，化学纯，台湾德谦公司；混合溶剂，工业级，自配；环氧固化剂，工业级，上海美东公司。
2.2环氧富锌涂料的制造工艺
按配方量称取环氧树脂、助剂和混合溶剂，分散均匀，加入锌粉，高速分散30分钟，调整粘度100-120秒（涂4＃杯），过滤出料。所制得的漆料组分与固化剂组分按9∶1的比例（重量比）配制成环氧富锌防腐底漆。
2.3 耐盐雾试验
2.3.1使用仪器及材料
盐雾箱：高铁检测仪器（东莞）有限公司生产的GT-7004-L型盐水喷雾试验机；氯化钠：分析纯；试板：1mm厚100mm×150mm的冷轧钢板。
2.3.2样板制作方法
冷轧钢板的表面处理按GB/T9271-1988进行，采用压缩空气喷枪喷涂，喷涂两遍，隔24小时喷涂第二遍。控制干膜厚为80±5um，室温放置7天后，在试板上沿对角线划十字交叉型划痕，划痕处露出金属底板，再用松香和石蜡封边。
2..3.3试验过程
按国标GB/T1771进行试验。将试板以150～250角放置在盐雾箱内，每48小时观察一次试验结果，每96小时测定一次喷雾量。按铁标TB/T 2772－1997“铁路钢桥用防锈底漆供货技术条件”评判试验结果。
3、结果与讨论
3.1 PVC值对涂膜耐盐雾性能的影响
欲使环氧富锌涂膜导电发挥牺牲阳极的作用，涂膜中就要求含有大量的锌粉粒子，它们相互接触，并和钢基体也保持电接触〔1〕。一般涂料干膜中锌粉含量大于77％时，富锌涂料才有导电和保护阴极的作用〔2〕。但涂层中锌粉含量过高，易导致涂层多孔，附着力、柔韧性和抗冲击强度下降，富锌涂料上若再涂覆其他高固体分面漆，便会使面漆产生气泡、针孔,降低防腐蚀效果。
对于环氧富锌涂料而言，由于其涂膜中仅含锌粉一种颜填料，故涂料的PVC值（体积颜料浓度）和漆膜中锌粉的质量百分含量有着直接的一一对应关系。涂料的PVC值对涂料性能的影响结果如表1所示。
表1涂料的PVC值对涂料性能的影响
检验项目        颜填料体积浓度（PVC ）﹪
        35        39        42        45        49
柔韧性/㎜        1        1        1        2        3
附着力/级        0        0        0        1        2
冲击强度
/㎝        50        50        50        ＜50        ＜50
耐盐雾性/h        720h
板面起泡        1080h
板面起泡        1518h
划叉处腐蚀        1572h
板面锈蚀        1424h
板面锈蚀



从表1可知，在盐雾试验过程中，随着PVC值的增大，涂膜的起泡性逐渐降低，而锈蚀性却逐渐增大，且柔韧性、附着力和耐冲击性均逐渐降低。这是因为在低PVC值的情况下，涂层中聚合物树脂基料的数量可足以包覆涂层中的颜填料颗粒，此时涂层为一连续致密的膜，而当涂膜中的颜填料体积浓度超过CPVC（临界体积颜料浓度）值时，漆膜的渗透率和锈蚀增加〔3〕。对普通防锈涂料而言，一般希望其PVC值小于CPVC值，此时涂料有好的耐盐雾腐蚀性能和优良的机械性能，而对于富锌涂料而言，却希望其PVC值大于CPVC值，这样锌粒之间才有可能直接接触，在涂料内部形成完整的导电电路，这也是牺牲阳极作用的要求〔4〕。但富锌涂料的PVC值并非越高越好，由表1可知，配方最佳的PVC值为42﹪，此时对应的漆膜（干膜）中的锌粉质量百分含量为82％，涂料具有最佳的机械性能和耐盐雾腐蚀性能，耐盐雾腐蚀试验时间可达1518小时。
3.2 硅烷偶联剂对涂膜耐盐雾性能的影响
硅烷偶联剂能够显著提高涂膜的内聚力以及对金属基体的附着力。有机硅偶联剂的通式为X3Si(CH2)nY，X基团是易水解的基团，可与金属基体表面的羟基或水反应。Y基团是选择来与给定树脂发生反应的有机官能团〔4〕。对于本研究选用的硅烷偶联剂，Y基团为环氧基官能团。干净的钢板基体表面不是铁，而是水合氧化铁，反应性硅烷偶联剂的X基团和金属基体表面的羟基(或表面的水层)形成氢键，这样在湿态条件下，有机材料对无机底材具有很高的粘接强度。其形成过程如图1所示〔5〕。








图1 硅烷偶联剂与金属基体的相互作用

在硅烷偶联剂加入量为1.0％的条件下，考察环氧富锌防腐涂料添加偶联剂前后的耐盐雾腐蚀性能，结果如图2所示。


(a)未添加硅烷偶联剂     (b) 添加硅烷偶联剂
图2 偶联剂添加前后样板耐盐雾腐蚀性能对比
从图2可知，喷有环氧富锌防腐涂料的冷轧钢板经过1000小时的中性盐雾试验后，图2(a) 未添加硅烷偶联剂的配方划叉处锈蚀严重（锈蚀宽度＞2mm），而图2(b)添加硅烷偶联剂的配方划叉处仅轻微锈蚀（锈蚀宽度约为1mm）。其主要原因有两个方面：首先是进行盐雾试验时，漆膜在一定温度下浸水后由于吸水起增塑作用，涂层产生松弛现象，使漆膜与金属底材间的附着力下降，添加硅烷偶联剂后，硅烷偶联剂与金属底材表面形成化学键，漆膜与底材的附着力得到了提高；另一方面，硅烷偶联剂的环氧官能团还与胺类固化剂发生了有限的共聚反应，与环氧树脂固化体系形成互穿聚合物网络 结构，极大地提高了漆膜的内聚力，从而提高了涂料体系的致密度，使锌粉颗粒能够紧密接触，保证了导电通道的畅通。所以添加硅烷偶联剂后，环氧富锌涂料的耐盐雾腐蚀性能得到了较大提高,1000小时盐雾试验后划叉处锈蚀宽度仅为1mm左右。
3.3  不同环氧固化剂对涂膜耐盐雾性能的影响
环氧富锌涂料中所含的环氧基团与胺类环氧固化剂中的活性氢可进行化学交联反应，从而形成性能优良的漆膜，不同环氧固化剂由于其化学结构 不一样，其形成的漆膜耐盐雾腐蚀性能也有很大区别。在漆料配方相同的条件下，考察不同环氧固化剂的耐盐雾腐蚀性能，结果如图3所示。
由图3可知，试板经过1500小时的盐雾试验后，图3（a）选用某聚酰胺固化剂的试验样板划叉处已严重腐蚀，单向腐蚀宽度超过3mm，而图3（b）选用某腰果油改性的酚醛胺固化剂划叉处单向腐蚀宽度仅约为2mm。主要是因为腰果油改性的酚醛胺固化剂分子结构中含有大量能促进环氧树脂固化的酚羟基和常温反应活性高的脂肪胺，使环氧基团与胺类环氧固化剂中的活性氢之间进行化学交联反应更加完全，涂料的交联密度得到了大幅度提高，涂料体系交联密度提高后，涂膜的玻璃化转变温度（Tg） 也得到了提高，经测试，使用某腰果油改性的酚醛胺固化剂的漆膜Tg值比使用某聚酰胺固化剂高约18℃。理论认为，盐雾试验中漆膜浸水后由于吸水起增塑作用，其Tg 约会下降30℃ ，若涂层浸水后其Tg仍超过试验环境温度，其附着点并不因涂层松弛而移动，仍固定于原附着点，即湿附着力良好〔3〕。另外其分子结构上既带憎水性优异的长脂肪链，又含抗化学腐蚀的苯环结构，这样涂
料的耐盐雾腐蚀性能就得到了大幅度提高。
(a)某聚酰胺固化剂     (b) 某改性酚醛胺固化剂
图3 不同环氧固化剂样板耐盐雾腐蚀性能对比
3.4  研制的环氧富锌涂料的主要性能指标
研制的环氧富锌防腐涂料主要性能指标如表2所示。
      表2  环氧富锌涂料主要性能指标
检测项目        TB/T 2772技术条件        检测
结果        试验方法
细度(µm)        ≤90        60        GB/T1724
不挥发物(%)        ≥80        83        GB/T6751
附着力
(拉开法) MPa        ≥4        16        GB/T5210
弯曲性能(mm)        ≤2         1         GB/T6742
冲击性能(cm)        ≥40         合格        GB/T1733
施工性能        喷涂无不良影响        合格        GB/T6753.6
耐盐水
（3%NaCl）h        240
无泡无锈        合格        GB/T1763
耐盐雾
(80±µm，1000h)        无泡无锈，划痕处24小时无红锈        1518        GB/T1771
从表2可知，环氧富锌涂料的耐盐雾性能提高后，其它技术性能指标仍能符合TB/T 2772－1997“铁路钢桥用防锈底漆供货技术条件”的要求，具有良好的综合性能。


4、结论
当环氧富锌涂料配方中选用某环氧基硅烷偶联剂和某腰果油改性环氧固化剂时，改善了涂料的对底材的附着力和漆膜的内聚力，提高了漆膜的交联密度和玻璃化转变温度，从而较大幅度的提高了涂料的耐盐雾腐蚀性能。
当环氧富锌涂料涂膜的PVC值为42％，干漆膜中锌粉含量为82％时，环氧富锌涂料具有最佳的机械性能和耐盐雾腐蚀性能，其耐盐雾腐蚀试验时间可达1518小时，且具有良好的综合性能， 满足了高速铁路专用桥梁支座防腐的需要。
参考文献
〔1〕GiudLce C．zinc mcll EPoxy Based of lamellar zinc Dust．surfaceCoatings International，1997，(6)：78-83.
〔2〕李国莱，张慰盛，管从胜. 重防腐涂料.北京：化学工业出版社，1999：12-13.
〔3〕虞兆年. 防腐蚀涂料和涂装. 北京：化学工业出版社，2002：47－54,190-202.
〔4〕洪啸吟，冯汉保.涂料化学.北京：科学工业出版社，1997：132，269-270.
〔5〕曾凡辉，姜其斌，陈宪宏.硅烷偶联剂WD-60在环氧防腐涂料中的应用[J].涂料工业，2007,37（1）：27-28.

作者简介：曾凡辉，男，高级工程师，在读工程硕士，主要从事工业涂料、高分子材料的研究开发工作。（Tel：0733－7626976 E－mail:zengfanhui@trp.com.cn）。
联系地址：湖南株洲渌口伏波大道118号，株洲时代电气绝缘有限责任公司   邮编：412007

dqv1

哈哈,我领导写的:)

zhonghua555

你时代新材的?我一个同学在时代新材，哈哈

hf101010

请教个问题 怎么能控制每次喷涂的厚度都是80+-5mm？:handshake

都市丽化工

呵呵,控制粘度,控制流量,控制手势,控制感觉,
呵呵,只有老油条做的到

dqv1

呵呵,这个是很个人化的东西,不同的人操作手法不同,不同的气压\出漆量\雾幅\喷涂距离\走枪速度\喷涂遍数\喷枪口径\漆的粘度都会影响,多尝试,我一般分两道喷涂,湿碰湿:)

hf101010

渴望成为"老油条“:'(

力龙涂料

窃以为桥梁支座最佳防腐方案为单层的水性无机富锌涂料100-120微米。
现在有些方案是抛丸后喷铝加多道涂层体系，喷铝要求也比较高，加上多道涂层体系，施工周期比较长。
无机富锌只需要抛丸后，在支座温度还有余温时，连续喷涂3道即可，2小时后即可下架打包。
不过就是颜色不能改变。

dqv1

无机富锌对底材处理和喷涂厚度要求比较严格,稍微喷厚点就整体剥离,环氧富锌这一点要好很多.而且环氧富锌用聚酰胺固化冲击,柔韧性等都很好.就是干燥速度和无机富锌没法比.我们的客户也有喷铝后再用环氧富锌的,这两种涂料各有所长吧:)

力龙涂料

说的没错，无机富锌对底材处理要求非常严格。
不过，如果是取代喷铝工艺的话却是比较合适，因为喷铝要求表面Sa 3级，只要适当降低粗糙度到60左右喷涂无机富锌，只要不超过120微米，剥离的风险非常低。
到现在为止，还没见到过整体剥离的情况，只有局部或者大面积的龟裂比较常见。