“”

摘要：介绍了锌基重防腐粉末涂料的研制与应用，选用鳞片状锌粉、重防腐环氧树脂、配套固化剂和各种助剂加工而成，该类重防腐粉末涂料具有长远的推广应用前景。

1 引言

锌粉是重要的电化学防锈材料，由于锌具有良好的电化学活性，当同铁放在一起受到腐蚀时，能自我牺牲阳极保护含铁金属材料；另外，锌可与腐蚀介质作用生成许多腐蚀产物[主要是碱式碳酸锌等2ZnCO3·3Zn(OH)2 ] ，这些微碱性产物填塞了涂层间隙或破损处，有效阻挡和屏蔽腐蚀因子的透过，并能在一定程度上实现自愈合。正因如此，用大量锌粉配制成的锌基涂料（也称富锌涂料）成为保护钢铁最普遍、最重要的底涂材料。

根据涂料成膜物质的不同，锌基涂料分为有机锌基涂料和无机锌基涂料两大类，无机锌基涂料以无机聚合物（如硅酸盐、磷酸盐等）为成膜物质，锌粉与之反应，在金属表面形成锌铁络合物，最终形成坚实的防护涂层；有机锌基涂料则以合成树脂（如环氧、聚酯、丙烯酸等）为成膜物质，加入高含量锌粉而成的液体防腐涂料。锌基涂料自20世纪40年代以来，得到了广泛的推广应用并取得了良好的防蚀效果。

常规的锌基涂料对含锌量有明确的要求，无机类要求锌占干膜质量的74%以上，有机类要求锌占干膜质量的77%以上，虽然国际铅锌组织（ILZRO）的研究报告表明锌粉含量的多少与涂层的防蚀性并无直接关系，某些含锌量高的防蚀性并不好，某些含锌量低的防蚀性并不差，不能单纯以锌粉含量来评判锌基涂料的优劣，但人们习惯上还是以含锌量的多少来选择使

用锌基涂料。由于有机涂料使用锌粉受临界体积浓度（CPVC）的限制，难以含有大量的锌粉而又要求涂层有良好的物理机械性能，结果有机锌基涂料的应用远不及无机锌基涂料来得广泛，而20世纪中期发展迅猛的粉末涂料更是无法单纯利用锌粉来开发新一代的重防腐粉末涂料。

20世纪末，德国爱卡（Eckave-Werke）公司开发了一种全新的锌粉产品——鳞片状锌粉，取代了锌基涂料中使用的普通锌粉——球形锌粉。鳞片状锌粉具有优良的屏蔽性能、平行搭接性能、电接触性能和易悬浮的特性，使得鳞片状锌基涂料在显著降低干膜含锌量的情况下，涂层的防腐性能仍优于普通球锌的锌基涂料，以此理论为基础，对锌基重防腐粉末涂料进行了试验研制并加以推广应用。

2 锌基重防腐粉末涂料涂层的防蚀机理

2.1 电化学保护

锌基重防腐粉末涂层的电化学保护机理与镀锌、热浸锌、锌基涂层、锌铬涂层（Dacro)）一样，都是采用牺牲锌来达到保护钢铁基体的目的。

阴极区：Zn→Zn2++2e（电势：-0.762V）（1）

阳极区：Fe2++2e→Fe（电势：-0.440V）（2）

由式（1）、式（2）可见，锌的标准电极电位（25℃）比铁低，故锌比铁活泼，当腐蚀介质渗透过涂层达到钢铁基体表面时（或者当涂层破损露出钢铁基体，而裸露处又被腐蚀介质覆盖时），由于水的存在鳞片状锌粉和钢铁基体之间形成一个以锌片为阳极、钢铁基体为阴极的电池，锌逐渐腐蚀而钢铁基体得到了保护。

由于粉末涂料限制了鳞片状锌粉的用量，锌基重防腐粉末涂料中填加了稳定的导电材料——磷铁粉（Fe2P），使涂层内形成导电通路，而且鳞片状锌粉之间平行搭接的接触面也具有良好的导通性，这些都保证了锌片的阴极保护效率。

2.2 屏蔽保护

腐蚀性介质在含有鳞片状锌粉的涂层中扩散的公式为：

式中：Q——单位面积上腐蚀介质的总量；

X——腐蚀性介质在涂层中的渗透距离；

t——腐蚀性介质在涂层中的渗透时间；

D——该介质在涂层中的扩散系数，定值；

C（X，t）——某时间、某距离上腐蚀介质的浓度。

若腐蚀性介质在金属基体上的浓度C达到临界值C0时，金属发生锈蚀，此时式（3）只有扩散时间t与渗透距离X2个变量。达到渗透平衡临界值C0所需的扩散时间t近似正比于扩散距离的平方（X2），即增加渗透距离X可以显著延长腐蚀介质渗透所需的时间。

由于加入鳞片状锌粉，涂层中锌片形成平行搭接、交叠排列成如图1所示的体系（图2为涂层结构的扫描电镜图像），减少了涂层的孔隙度，腐蚀介质也不能通过鳞片渗透，必须绕过鳞片，沿着鳞片径渗入，所以渗透距离x显著增加，腐蚀性介质到达金属基体的时间显著延长。

腐蚀介质在渗透过程中，接触锌片后产生各类腐蚀产物，如ZnO、Zn(OH)2、Zn(OH)2CO3、Zn(OH)Cl3、ZnOCl、ZnSO4等，造成锌片腐蚀部位体积膨胀，填塞了涂层中的孔隙，同时也增加了涂层的致密度，消耗部分腐蚀介质，从而更有效地保护了钢铁基体。

2.3 涂层自修复保护

当锌基涂层受外力作用造成局部破损后，在一定范围的面积内，保护电流能流向钢铁基体裸露的部位，锌的腐蚀产物可积累在那里形成一层保护膜。但当破损范围扩大或保护电流减弱时，这种修复保护作用将逐渐减小，破损处的钢铁基体将发生腐蚀，必须进行局部修补。

3 试验部分

3.1 基料选择

根据涂层的使用特点和应用要求，采用中等相对分子质量的双酚A型环氧树脂、酚醛环氧树脂与酚类固化剂组成基料系统，该系统中酚醛环氧树脂分子结构中有多个环氧基，固化产物的交联密度和芳环密度都比较高，与双酚A型环氧树脂搭配使用，涂层的硬度、耐热性、耐磨性、耐化学腐蚀性及对基材的附着力都比较好。

3.2 鳞片状锌粉的选择

虽然目前国内已有多家企业生产鳞片状锌粉，但经测试对比，国产的锌片从颗粒形状、粒径、色泽以及包覆质量等指标上都与国外厂家的产品有较大距离，虽然价格明显偏低（如国产鳞片状锌粉3.2万元/t，而爱卡产品6.8万元/t），还是选用了爱卡GTT片状锌粉产品。另外还添加了适量的片状铝粉或其他片状金属粉，对鳞片状锌粉产生抑制淘析作用，进一步延长了锌片的阴极保护作用。

3.3 助剂的选择

为提高涂层的机械性能，增加涂层内的导电通路，实现重防腐效果，除使用常规的流平剂、增韧剂、固化促进剂外，还针对锌基重防腐粉末涂料的特性使用了脱气剂、粉体流动剂、增电剂，并在配方中加入稳定的导电颜料——磷铁粉(Fe2P)，在涂层内形成导电通路，提高锌片的阴极保护效率。

3.4 制造方法

目前锌基重防腐粉末涂料主要有2种制造方法，一种是在传统粉末涂料生产工艺的基础上改进的挤出制造工艺，一种是采用干混技术（也称邦定技术）的干混制造工艺。这2种方法制造出的粉末涂料产品的扫描电镜照片见图3。

改进的挤出工艺与正常粉末生产流程相似，但加强了原材料预混强度、延长了物料的熔融捏合时间。该工艺容易控制粉体粒度，粉体施工性能好，涂层具有良好的附着力及优良的机械性能。不足之处是锌片表面有一定的氧化，锌片表面基料黏附较多，搭接稍差，需要添加导电助剂。

干混生产是将粉末基料及助剂按常规粉末生产工艺加工成粉末后，在干混设备中将基料与鳞片状锌粉及相关助剂混合加热，控制在一定温度让基料粒子与锌片黏结后，冷却至常温即可。该方法克服了挤出工艺中锌片表面的氧化现象，锌片表面黏附少量基料，锌片搭接效果较好。存在的问题是工艺复杂，粉末必须再进行粉体处理；锌片表面未得到有效抑制，极易氧化，迅速失去阴极保护作用；其涂层的附着力也较差。

4 试验结果

4.1 锌基重防腐粉末涂料的性能

2种方法制造的锌基重防腐粉末涂料的性能比较见表1。

4.2 锌基重防腐粉末涂料涂层耐盐雾试验结果

用不同方法生产的锌基重防腐粉末涂料制成不同厚度的试板，进行涂层划痕中性盐雾试验，结果见表2。

由盐雾试验的结果可以看到，涂层厚度与涂层的防腐蚀能力密切相关，锌基涂层必须达到一一定的厚度才能具有超强的抗蚀能力。2种方法生产的产品都具有优异的防腐效果。

5 产品在高速公路护栏上的应用

国内锌基重防腐粉末涂料除在户内金属防腐涂装上应用外，在户外恶劣腐蚀环境下应用最早的是在贵州高速公路护栏上。贵州地处云贵高原的东斜坡，山地和丘陵面积占全省总面积的92.5%，贵州属亚热带湿润季风气候区，气候温暖湿润，年降水量1100~1300mm，由于贵州省的企业（有300多万煤炉）和家庭（饮食、烘烤食物）直接使用燃煤，废气未经处理直接排放到空气中，长期存在着酸雨污染，雨水的pH平均在4~5；部分污染严重的地区雨水的pH可达到3，全省酸雨率为80%左右，较适合检测该涂层的耐腐蚀能力。2004年开始在安徽、河南等部分路段进行应用试验。

试验用高速公路护栏的涂装工艺为：①抛丸：采用0.2mm的钢丸喷，并对护栏基材的棱角进行打磨处理；②底涂：工件上线，静电喷涂锌基重防腐粉末涂料，厚度55~65μm，200℃，10min固化；③面涂：喷涂纯聚酯粉末涂料，厚度不小于76μm，220℃，10min固化；④包装：工件冷却下线后，按加工要求进行包装、转运，安装在试验段上。

5.1 应用试验结果

从2001年3月开始，在贵州省多条路段上进行了应用试验，并与热镀锌喷塑护栏产品（镀锌层含锌量为270g/m2，喷塑层厚度不小于76μm）进行了耐腐蚀对比，试验结果见表3。

5.2 存在问题

已进行了5a的双涂层护栏应用试验表明，锌基重防腐粉末涂料与纯聚酯粉末涂料形成的双涂层防护体系，具有突出的抗腐蚀能力，完全满足国家和交通行业相关标准规范的要求。目前存在的主要问题是，涂层受外力破坏露出钢铁基材后，裸露的金属表面会很快锈蚀，虽然在锌片的阴极保护作用下锈蚀漫延速率很慢，但产品外观装饰效果已受到严重影响。

5.3 改进措施

由于护栏产品在运输、装卸、安装过程中极易受到意外的撞击而造成涂层的破损，除通过改进包装、加强运输、安装过程中的管理外，还对护栏产品易受撞击损伤的棱边进行了热喷锌处理，取得了良好的应用效果。

6 结语

利用鳞片状锌粉研制的锌基重防腐粉末涂料涂层具有突出的耐腐蚀能力，经过5a多的实际应用，防腐效果优异，该产品的双涂工艺在一定范围内完全可以取代热镀锌，避免了镀锌工艺产生的严重的环境污染问题，具有长远的应用前景。

文/晁兵，陆东方，鹿存才

徐州正菱涂装有限公司

......