常温固化氟碳涂料在钢结构防腐领域配套性研究上

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常温固化氟碳涂料在钢结构防腐领域配套性研究

常温固化氟碳涂料在钢结构防腐领域配套性研究 上海衡峰氟碳材料有限公司 一、氟碳涂料的特点      氟碳树脂是以含氟烯烃，如四氟乙烯（TFE）、三氟氯乙烯（CTFE）、偏二氟乙烯（VDF）氟乙烯（VF）等为基本单体进行均聚或共聚，或以此为基础与其他单体进行共聚以及侧链含有氟碳化学键的单体自聚或共聚而得到的分子结构中含有较多C-F化学键的一类树脂。 氟碳涂料是以氟碳树脂为主成膜物，辅以各种改性树脂、颜料、填料，经分散、研磨、调色等加工而成的涂料。 氟碳树脂的诸多优异特性，取决于树脂中大量的C-F化学键。由于氟的电负性大，氟原子上带有较多负电荷，相邻氟原子之间相斥，使含氟烃链在氟原子沿着锯齿状的碳键作螺线型分布，中间的一条碳链四周被一系列带负电的氟原子所包围，形成高度屏蔽的保护墙；分布对称结构，整个分子是非极性的；氟的极化率小；因此在化学上突出地表现为高度的稳定性和化学隋性。 FC-S200系列氟碳涂料是以大金公司的四氟乙烯－烃基乙烯基醚共聚物（FEVE）GK-570为主要成膜基料的氟碳涂料，它具有氟碳涂料所共有的优异性能，其户外耐候性可与PVDF涂料相媲美，甚至更佳。它侧链上的羟基使它克服了其它氟碳涂料必须高温烘烤的缺点，可以制成常温固化型涂料。FC-S200系列氟碳涂料具有良好的光泽，突出的耐候、耐酸碱、耐污染性，高装饰性，以及在混凝土、瓷砖、金属、塑料等表面的良好附着性，使FC-S200氟碳涂料成为可广泛应用 氟碳涂料秉承了氟碳树脂的优异特性，表现为： 超耐候性 涂层经长期的户外使用，涂层颜色可能改变，光泽会劣化，表面发生剥蚀、粉化，而氟碳涂料中氟树脂分子链上的氟碳键能够抵抗紫外线的降解作用，能在户外长期使用外观不变。一般的涂料户外寿命很短，只1-3年，就是丙烯酸树脂和有机硅改性树脂等所谓高档涂料在户外也只能保持数年的美观和对底材的保护作用，而氟碳涂料经户外长期使用和人工加速老化试验表明，可在户外使用二十年以上，外观仍完美如初。目前衡峰的常温氟碳涂料已经通过6000小时的人工加速老化实验，色差1.04；大金公司的超级人工老化实验2000小时后（相当于普通人工老化QUV8000小时），采用GK-570四氟氟碳树脂的白色涂料，光泽保持率80％以上，色差小于3。 图1 氟碳涂料与其它涂料的超级人工加速老化比较（大金公司的资料） 耐腐蚀和耐化学品性     实验表明氟碳涂料的耐酸、耐碱、耐化学品腐蚀性是其他涂层所无法相比的。树脂中含氟原子数比例最高的聚四氟乙烯涂料，其耐化学品腐蚀性能在所有的涂料中是最优异的，它耐所有的强酸、强碱、强氧化剂，仅与熔融的碱金属、高温下的F2等少数物质起反应。建筑用的氟碳涂层也可通过3000小时以上中性盐雾试验。氟碳涂层和其他涂层配合使用，通过多层次涂装，利用各涂层的装饰作用、隔热作用、屏蔽作用、缓蚀作用和阴极保护作用，达到对底材数十年以上的防腐装饰目的。 耐污染性 采用大金GK-570树脂的氟碳涂层，具有亲水表面性能，具有自我润滑的表面，表面光滑，粘附性小，不易被污染，即使被污染也非常容易清洗。 图2 不同涂料与衡峰氟涂料耐污性的比较（四年时间，左边一般涂料，右边衡峰公司氟碳涂料） 优异的施工性能     氟碳涂料可以喷涂、辊涂、刷涂，具有优异的附着力和硬度，新型的氟碳涂料还克服了以前氟碳涂料不能常温固化的技术难题，实现了在施工现场涂装氟碳涂层的理想。能在几乎所有的材质上良好紧密的附着。氟碳涂料的长寿命，使涂一次可以维持许多年，维修工程简单，省去大量维修费和脚手架搭拆费。 高装饰性     氟碳涂料可调配出实体色、金属色、珠光色、特殊色等各种色彩和低、中、高等各种光泽，为设计师和业主提供了丰富的想象空间和奇异的装饰效果。 耐温性 氟碳涂层的耐温性很好。聚四氟乙烯涂层，能长期在-250C～+250℃下使用，瞬间能耐300℃。其他氟碳涂层的耐温范围也极宽，能在-50-150℃下使用。 二、常温固化氟碳涂料的应用领域     常温固化氟碳涂料的应用领域十分广泛。 1、建筑外墙用常温固化氟碳涂料     随着我国国民经济的发展，人们对建筑外装饰的要求也越来越高。近几年涌现出大量新型外墙材料把建筑和城市装点的分外美丽。然而，大气污染的日益严重，对建筑外墙材料的各种性能提出了更高的要求。目前应用于建筑外墙面的装饰材料主要有马赛克、瓷砖、涂料、幕墙板和各种石材。涂料以其低成本，易施工，高装饰性等优胜，应用量逐年上升。然而，目前大多数涂料的户外寿命较短，使得使用涂料的重涂费用和维护费用较高。特别是寿命短，还不能代替瓷砖等外装饰材料。但瓷砖造价高、工效低、自重大、易污损、长期装饰性差、会脱落等是它的致命弱点。常温固化氟碳涂料则完全克服了普通涂料户外寿命短的缺点，一次涂装使用寿命长达20年，达到甚至超过瓷砖寿命。长期使用费用更是低于普通外墙涂料，装饰效果则大大超过外墙砖。 2、塑钢门窗用常温固化氟碳涂料 塑钢型材作为一种新型建筑材料由于其保温、气密性好、质轻、生产能耗低、价廉而逐渐得到广大用户的认可，使用量逐年上升。然而由于普通塑钢型材易老化，色彩单调的原因，同铝型材特别是彩色铝型材相比，应用面受到限制。 而通过特殊工艺将氟碳涂料涂装在普通塑钢型材表面后。它将在原塑钢型材已有优异性能的基础上又增添许多优秀的品质。 3、用氟碳涂料涂装的铝材     铝型材市场是国内近几年发展非常迅速的一个领域。广泛应用于我国的广大建筑中。目前国内的铝型材表面采用阳极氧化工艺进行防腐保护处理。由于阳极氧化工艺局限性，使铝型材外表只有银白和古铜两种色彩，再加上阳极氧化膜不耐酸碱，易污染，装饰性差等缺点，近几年国内又开始使用的使用涂料涂装铝型材。装饰性虽有提高，但由于使用而候性较差的环氧树脂和聚脂涂料等来涂装,户外寿命很短,装饰效果只能保持数年, 短的只有1-2年。这仍然不能满足铝型材的使用要求。采用氟碳涂料涂装的铝型材，使原来阳极氧化膜保护的铝型材的使用寿命从数年提高到20年以上,并可提供各种各样的色彩共选择，大大提高铝型材的装饰性，并使我国铝型材质量水平跃上一个新台阶。 4、氟碳涂料应用于户外建筑钢结构的保护 户外建筑钢结构特别是户外大型钢结构，一般均有长期使用寿命的要求。由于原来使用的聚氨脂，丙烯酸，氯化橡胶和氯磺化聚乙烯涂料性能的限制，涂层3-5年必须重涂，费钱又费时。而将氟碳涂料与富锌、环氧云铁等涂料配套应用与钢结构，涂层系统可通过10000小时的盐雾，5000小时的加速老化试验，涂层对基层钢材有数十年以上的保护作用。 三、现有涂料在钢结构防腐涂层中应用的介绍 1、热喷涂锌铝及其合金防腐涂料     热喷涂技术早在1910年就已经形成，国外在三十年代开始广泛采用此技术来防护钢铁构件的大气腐蚀及特殊要求的处理，我国在五十年代引进了热喷涂技术，并将其应用在大型钢铁构筑物的防腐。热喷涂锌铝及其合金防腐涂料主要用于大气和水腐蚀环境中，使用寿命20-30年。金属锌和铝均具有很好的耐大气腐蚀特性。在钢铁构件上喷涂锌，锌是负电位和钢形成牺牲阳极保护作用，从而使钢铁基体得到了保护。目前大气防护金属喷涂层更多地倾向于喷涂铝涂层。一般热喷涂锌铝及其合金防腐涂料的前处理要求很高，喷砂除锈到Sa3级标准，很难达到。而且，原料Zn和铝的纯度要求很高（Zn要求99.99％，Al要求99.5％），否则将大大缩短使用热喷涂涂层的防腐寿命。热喷涂锌铝及其合金防腐涂料还需要外封闭层，主要采用环氧树脂涂料和聚氨酯涂料。由于此类防腐涂料成本很高，国内应用不多。代替的方法之一就是采用性能好而价格便宜的环氧富锌涂层。 金属喷涂防护涂层有如下特点 ： 1) 涂层与基体结合牢固，涂层寿命长，长期经济效益好； 2) 工艺灵活，适用于重要的大型及难于维护的钢铁结构的长效防护，且可现场施工； 3) 涂层经封闭及涂装处理，可大大延长涂层的使用寿命，从理论和实际应用的效果来看，热喷锌或喷铝的涂层是涂装的最好底层。二者结合起来即形成金属喷涂层与涂装涂层的复合涂层。此复合涂层的防护寿命较金属喷涂层和涂料防护层二者寿命之和还要长，常为单一涂料防护层防护寿命的数倍； 4) 施工工艺要求严格，表面处理必须达到Sa3级，要求有专业熟练操作工人。工程施工周期较长。 2、红丹防锈漆     红丹防锈漆是防锈漆中的古老品种，虽然它有一些缺陷但是因其优良的防锈性能，目前在国内还有很多应用。     红丹防锈漆的主颜料是红丹，配合以滑石粉、碳酸钙等，与其配合的漆料以含油树脂为多，如厚油、脂胶、长油和中油醇酸、酚醛及环氧酯等。红丹防锈漆的漆膜坚韧，防锈性能持久，适应面广，用于大型钢结构及重要工程上，防锈效果可靠。在表面处理较为困难、留有少量锈迹的场合，仍能保持其优良的性能。     红丹防锈漆不足之处是：红丹含铅量高、毒性大；因其密度很大，在一定PVC的情况下，用量多、容易沉淀；漆膜的流平性欠佳，与酸值高的漆科配合，有增稠现象。 红丹防锈漆不耐晒，空气中的二氧化碳能降低其防锈性能，已涂红丹防锈底谈的上件应及时涂以面壕：在涂红丹底漆的部位不能进行焊接和切割作业，以免铅中毒。 3、铁红防锈底漆     此类防锈底漆以物理填充和屏蔽作用保护底材不受侵蚀，常用少量学活性颜料配合，以弥补其抗渗性的不足。铁红防锈底漆的防锈件中等，遮盖力强、施工性好，漆膜对日光、大气、水等比较稳定，合一定的耐热性。用途广泛，价格低廉，在五金产品、机床、电机管道和一般钢结构中均大量采用。 4、磷化底漆 磷化底漆是由金属磷化处理发展演变而来的，从某种意义上讲是磷化处理的一种施工方式。磷化底漆的作用可以概括为：磷化－钝化－成膜。由聚乙烯醇缩丁醛、铅酸盐及辅助材料组成一个组分，用磷酸作为处理例，在金属表面上发生磷化和钝化作用，形成厚度3-10um的磷化膜，该膜有很高的介电性，短时间内可经受400—500℃的高温、在水中的溶解度仅为l.76mg／L(16℃)。聚乙烯醇缩丁醛在磷化钝化膜上附着牢固，并可与磷酸盐和铬酸盐生成络合物，改善涂料与金属底材的结合力，并能阻止膜下腐蚀和腐蚀向该膜损伤处蔓延；磷化底漆已广泛用作为钢铁及有色金属结构和设施的增强防锈材料，尤其是住海洋、湿热地区的钢铁结构、桥梁、港口设备等方面。但不适宜涂装铬钒钠、铬钨钢及含铜钢。 磷化底漆有增强防锈作用，但其上仍需涂普通型防锈底漆，不宜其接在其上涂硝基、氨基、氯化橡胶等防锈漆，可用油基酚醛底漆过渡。一般磷化底漆一经涂布，最好及时涂以其他底漆，于室内最长不应超过5—6个月，存户外不能超过一周。 5、带锈底漆 锈面涂料扰是直接涂在除去上层浮锈的底锈上的底漆。它的主要作用是把活性的锈“情性化”，使其早稳定的状态，作能很好地附着在钢铁表面上，起到一般防锈底漆的作用。 为达到这一目的，通常采用下述三种方法： 化学方法：利用一些化合物与铁锈反应，把活性的锈转化成情性的络合物或螯合物，它们非但对钢铁无害，抑或有一定的保护作用； 物理方法：利用涂料和助剂的良好的渗透性，对疏松的铁锈进行浸润，把铁锈分隔包围，阻止锈蚀进一步发展或采用抗渗性优良的涂层将锈面屏蔽，与腐蚀介质隔离； 化学物理方法：此法不仅仅是上述两种方法的综合，而且赋子了许多新的内容。例如，利用涂料的渗透力、使漆料充满锈层的微孔，或透过锈层到金属表面，将嵌埋在里面的水和槽物封闭或吸收。又如，渗透性良好的漆料带有易与水反应的活性基团，在锈层内与水反应，交联固化，使成膜物质植根于锈层之中，使锈层坚团，不易剥落；

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6、富锌底漆
人们早已知道锌对钢铁的良好保护作用，在l00多年以前就有了热浸锌的方法。被称为“冷镀锌”的富锌底漆问世以后，“锌保护”得到广更广泛的应用。如今国内外的一些大型工程，如跨海大桥、穿越河底的输袖气管道、海洋石油平台以及港口码头设施等，应用富锌底添防锈，已成为首选采用的保护方案，富锌底漆已成为重防腐蚀涂料的主要品种。富锌底漆的防锈机理是牺牲阳极或称为阴极保护。当涂装了富锌底漆的钢结构发生腐蚀时，因为金属锌在很宽的服度范用内的电极电性比铁负，锌是阳极，被腐蚀，铁是阴极得到保护。即使不慎划伤了漆膜，在一定范围内，锈蚀不外延，在一定程度上可以自己修复。在大气和海洋气候条件下，保护期能达到3—15年。
富锌底漆分为两大类型，即无机型和有机型，是以粘合别来划分的。无机粘合剂以硅酸盐为主，耐腐蚀性好，但施工件能不如有机型好，对底材的表面处理要求严格；有机型粘合剂以环氧树脂为多，防锈性比无机型相差，但施工性能好，对底材表面处理质量容忍度大
无机富锌漆具有耐水、耐盐雾、耐湿热、耐候等特点，对基体表面处理要求严格， 否则涂层不牢固，注意与面漆的配套性，否则会发生起泡、脱落现象。
有机富锌漆是环氧富锌漆或聚氨酯富锌漆，具有良好的附着力，具有耐油、耐水、耐溶剂、耐冲击好的特点，对基体表面处理要求比无机富锌漆要低一些，电化学保护作用比无机富锌漆稍差。一般常用环氧富锌漆作底漆。
7、环氧中间漆
    环氧中间漆是底漆或面漆之间的中间层，它既联底又接面，起承上启下作用，增强屏蔽作用，又可提高涂膜厚度，长效重防腐涂料体系中环氧云铁防锈漆是首选中间漆。云母氧化铁是稳定的α-Fe2O3，是六角形片状晶体，在涂膜中以平行的方向重叠排列，可以有效地防止水汽的渗透，对阳光反射力强，还能吸收红外线，延缓漆膜的老化，因此有很好的防锈性能和耐候性。在环氧云铁防锈漆中，环氧基团提供了漆膜优异的附着力。它常与富锌底漆配套使用，具有良好的封闭性能、耐候性、耐久性及耐磨性等。表面具有一定的粗糙度，对面漆有良好的附着力。常与环氧、聚氨酯面漆配套使用。
8、氯化橡胶防腐涂料
氯化橡胶的Cl—Cl键有一定的极性，有良好的附着力，又因它的组成中不含酯键，故耐腐蚀，漆膜透水率低。在我国大量应用于船舶、港湾结构等重防腐场合，效果良好，所以有人将氯化橡胶作为使用寿命长达30～50防腐方案的面漆涂层唯一选择 ，这忽视了氯化橡胶比较低劣的装饰性能。由于氯化橡胶中氯的质量分数高达65%以上，所以在受紫外线照射时，常析出氯化氢而降解，用于钢结构表面，这种面漆的装饰性较差，其外观寿命一般不超过五年，在户外使用一、二年后就会严重失光、失色，装饰性能极差，无法适应现代社会同时强调防腐和装饰的新要求。
9、脂肪族丙烯酸聚氨酯涂料
脂肪族丙烯酸聚氨酯涂料是以HDI缩二脲为主要原料的脂肪族聚氨酯与丙烯酸树脂聚合改性的各色丙烯酸聚氨酯漆，它同时兼有丙烯酸树脂和脂肪族聚氨酯的优良性能，又具有优异的耐候性、抗粉化、抗龟裂和优异的耐蚀性、耐油、耐碱、耐工业废料，此外漆膜坚韧耐磨、丰满光亮、美观，具有良好的装饰性，常用于高档装饰。但其户外耐候性寿命也只有12年左右。
10、聚脲涂料
聚脲涂料不含催化剂，快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂而不产生流淌现象；对水分、湿气不敏感，施工不受环境影响；100％固含量，环保；1次施工达到厚度要求；涂层致密、无接缝，耐化学腐蚀；附着力好；耐击穿电压高，与阴极保护配套性好；伸长率可达300％，耐候性与普通聚氨酯涂料相当。 无法获得较薄的涂层（一般大于1mm），原料需要进口，单价较高，单位面积原料成本较高；需要专业喷涂设备。
4.钢结构长效防腐涂层设计和配套性研究
为了试验不同底漆或前处理方式对于氟碳面漆的配套性能、长期防腐性能的优劣进行评价，我们按照国标GB/T 1771，对不同的氟碳涂料的配套体系进行了试验。基板采用7*15的磨光钢板，样板的侧面和背部予以封闭，盐雾试验机型号---，盐水浓度5010g/L，PH值6.5-7.2，温度（232）℃，相对湿度（505）％
。钢结构长效防腐涂层配套性研究试验结果

实验编号 1 2 3 4 5 6   
前处理 喷砂除锈
Sa2.5 喷砂除锈
Sa2.0 喷砂除锈
Sa2.0 酸洗除锈 酸洗除锈 手工除锈St3   
底漆 富锌底漆
70um 无机富锌涂料
80μm 聚脲涂料
1.5mm 热镀锌
50μm 达克罗
10um 红丹底漆
20um   
中涂 云铁底漆
100um 环氧云铁底漆
100μm - - - -   
白色面漆 氟碳面漆
20-30um 氟碳面漆
20-30um 氟碳面漆
20-30um 氟碳面漆
20-30um 氟碳面漆
20-30um 氟碳面漆
20-30um   
划格法附着力 100/100 90/100 100/100 100/100 100/100 70/100   
中性盐雾
3000小时 无变化 附着力下降，50/100（露出无机富锌层） 无变化 无变化 少量锈蚀，2级；附着力下降到80/100 锈蚀严重，5级，面漆鼓起，10/100  

从上表盐雾试验结果来看，比较适钢结构长效防腐目的的氟碳涂料涂装系统如下：
(1)环氧富锌底漆―环氧云铁涂层―氟碳面漆；
(2)无机富锌漆―环氧云铁涂层―氟碳面漆；
(3)热喷（锌、铝）层―环氧云铁涂层―氟碳面漆；
（4）聚脲涂料-氟碳面漆。
上述（1）、（2）两种底漆环氧富锌底漆和无机富锌漆，效果良好。从理论上、研究试验结果上以及实际使用上无机富锌漆的防腐蚀性能均要比环氧富锌漆要好，因它可与钢面反应生成硅酸铁，所以附着力很强；环氧富锌底漆涂层的孔隙电阻率要比无机富锌涂层的孔隙电阻率小得多；受损伤的钢铁表面用无机富锌要比用环氧富锌的要好。但是由于无机富锌底漆的施工性能以及与后续中间漆的附着力没有环氧富锌底漆来得好，一般情况下还是选择环氧富锌底漆。热喷（锌、铝）层技术要求较高，涂装费用高，目前没有大规模使用。聚脲涂料系统使用方便，性能优异，具有很好的综合性能，缺点就是很难涂薄，材料单耗太高。根据实际情况和试验结果，我们公司在实际推广中采用的的涂层体系是：环氧富锌底漆―环氧云铁涂层―常温固化氟碳涂料面漆。
衡峰公司在总结国内外钢结构防腐设计上的各种经验和全寿命经济分析法，提出了以超耐候的常温固化FC-S200氟碳涂料为面漆的FUVIT－ST钢结构涂装系统，其中所采用的涂层体系就是环氧富锌底漆―环氧云铁涂层―FC-S200氟碳涂料面漆，室外使用寿命可达20年以上。
“全寿命经济分析法”是在成本－效益分析基础上，将工程的使用年限作为主要考察指标的一种经济分析方法。它起源于美国，美国法典（USC）对于“全寿命经济分析法”的定义是“这是一种程序和方法，用于评价可行计划项目的总经济价值。包括初始成本和经折扣的进一步成本－整个寿命期内的维护、修复、重建和表面翻新处理的费用。建立在全寿命经济分析法分析基础上的钢结构防腐蚀设计和施工，与传统的涂层相比，在技术、经济上要更为合理、更具竞争性。钢结构涂装不仅应重视初期投资，而且更应该重视钢结构在运转、维修、保养、停工等费用。我们应该避免走“眼前少花钱，而后花大钱”的老路。防腐蚀涂层受到破坏是多因素造成的，其主要原因是涂层材料不当和涂层施工方法不当。一般来说，未经过特殊处理的钢材（如碳钢），都是容易生锈的，而经过特殊处理的钢材（如不锈钢、镀锌钢、耐候钢、经氟碳涂装的碳钢），则不容易生锈。因此，要选用特殊处理过的钢材。选用了不当的保护涂层。不同的保护涂层赋予钢材不同的保护期限，如醇酸树脂类涂料在户外1-2年就完全被破坏，无法再保护钢结构；丙烯酸类则在5-8年，硅丙类8-10年；而氟碳涂料则可在户外使用20年以上仍然漆膜完好