data-full-width-responsive="true"> 水性无机富锌涂料及其改性张鹏飞1 张 斌2（1 兰州理工大学，730050 ；2 上海振华重工（集团）常州油漆有限公司，213164）水性无机富锌涂料的性能优于各种常规有机富锌涂料，但其涂布表面的处理和施工条件等问题始终阻碍着水性无机富锌涂料的大规模推广。本文介绍了对水性无机富锌涂料的基料和各种颜填料的改性研究及各种助剂的添加来改善涂膜的综合性能。1 水性无机富锌涂料的发展阶段水性无机富锌涂料一般以硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂为基料并复配锌粉制成。其主要经历了以下3 个发展阶段：（1） 热固性无机富锌涂料。其涂膜需经过高温烘烤才具有不溶性。用于澳大利亚输油管道上的热固性无机富锌涂料，经过50 多年的使用，涂层仍保持完好，呈现出极好的防腐效果。（2） 后固化无机富锌涂料。该涂料采用磷酸铵盐作为固化剂，使其在室温下形成不溶性的涂层。我国在20 世纪70 年代后期，采用MgCl2 水溶液作为固化剂，也研制成后固化无机富锌涂料。该涂料具有优异的附着力和防腐性，但涂料固化后需用水清洗涂层表面，除去多余的固化剂和其
他副产物，给施工带来麻烦。（3） 自固型无机富锌涂料。20 世纪70 年代初，美国太空总署（NASA）的研究人员通过提高硅酸钾的模数，并保持其稳定性，研制成自固型无机富锌涂料。该涂料的固化时间短，一般3~6 h 涂膜即可完全固化，不怕雨淋。我国在20 世纪90 年代研究开发的自固型无机富锌涂料主要是用硅酸锂水溶液配制的，但由于其涂层完全自固化时间较长，原料价格较贵，应用受到一定的限制。2 水性无机富锌涂料的优点（1） 安全性好。以水为溶剂和稀释剂，不含任何有机挥发物，无毒，无闪点，对人体无损害，对环境无污染，符合限制VOC 量的相关法规，无火灾危险，施工、贮存、运输过程安全。（2） 附着力优。硅酸盐系无机富锌涂料在固化过程中能与底材发生化学反应，不但可形成硅酸锌网状结构聚合物，而且还与基材金属表面形成硅酸锌铁络合物，对金属基材的附着力很强。（3） 耐候性、耐腐蚀性好。水性硅酸锌涂料施工后，成膜物中的无机Si-O-Si 键不受紫外线照射的影响，长期曝晒不会引起Si-O 键的断裂，因此涂层的耐候性极好。同时形成的涂层为锌粒子的堆积体，锌粒子之间，锌粒子与钢铁表面之间紧密接触，由于锌的电负性小于铁，较铁活泼，因此通过锌粒子的溶解牺牲，可以保护钢铁件不受腐蚀。（4） 耐热性佳。在形成硬化层时，以聚硅氧烷（Si-O-Si）相结合。这种Si-O 键的结合能为106 kJ/mol，比形成有机高分子的C-C 键结合能（826 kJ/mol）大得多，因此具有更强的耐热性，长期可耐400℃高温，瞬间可达800℃。若配合适当无机颜料，耐热温度可达1 000℃。（5） 耐溶剂性强。涂层为无机成分，几乎在所有烃类溶剂（包括燃料、汽油、甲苯、二甲苯，以及其他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。（6） 焊接性能好。可带漆切割、焊接，漆膜不起泡，不脱落，不影响焊缝质量。（7） 导电性好。水性无机富锌涂层中富含大量锌粉，而且互相接触，故电阻率低，使静电难以积累，因此涂层的导电性好，能满足石油运输的防静电指标。（8） 耐辐射性好。由水性无机富锌底漆和无机面漆组成的无机涂层系统对很高的累积辐射量具有优异的抵抗能力，因此该涂料可以用于高辐射量的核电设备上。（9） 自修复性好。因为
它的阴极保护作用，即使漆膜意外破损，也不会向四周扩散、剥落，重新涂覆后能与旧涂层自然结合，牺牲的锌形成二价锌离子，与空气中的水分和二氧化碳反应，生成碱式碳酸锌等产物，这些不溶于水、不导电的腐蚀产物填充在漆膜空隙中，就会沉积在此处基材上形成致密膜，阻挡、屏蔽腐蚀因子透过，从而进一步延长防锈蚀的时间。（10） 使用寿命长。一般环氧富锌涂料使用寿命为3~5 年，溶剂型无机富锌涂料为12~15 年，水性无机富锌涂料为25 年。3 水性无机富锌涂料存在的问题（1） 涂层的脆性。水性无机富锌涂层由锌粉和硅酸盐组成，呈脆性。当前，一般要求其耐冲击性50 cm，柔韧性 2 mm。水性无机富锌涂层的脆性，决定了该涂料不适合在薄而易变形的底材上使用，否则，由于外力的作用，会使涂层出现大面积剥落。（2） 表面处理要求高。钢工件的表面处理是决定涂层附着力优劣的关键因素，对整个涂层质量有重大影响。水性无机富锌涂料与油污等有机物质的兼容性很差，为了保证涂料中的锌粉与底材充分接触，起到导电和防腐蚀作用，要求底材表面必须清洁，不能存在水、油脂或任何污染，尤其是油污类污物，应彻底清除。（3） 施工条件。施工时，要求底材表面的最低温度 5℃（最好在10℃以上），最高温度 40℃，相对湿度 80%。否则，涂膜表干2 h 后，其铅笔硬度达不到4H 以上，最后得到的涂层附着力很低，并且随着时间的延长，硬度不再增加，涂层附着力也不再提高。（4） 与其他涂料的配套性。一般来说，除溶剂型漆和醇酸漆外，水性无机富锌涂料可与各类面漆，如聚氨酯漆、环氧漆、乙烯类漆配套，如涂环氧过渡层，则可与更多的面漆配套且效果更佳。另外，应注意无机富锌底漆必须充分固化后才可涂面漆，否则会影响附着力。虽然一般来说无机富锌底漆的配套性不如环氧富锌底漆，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。（5） 涂层厚度。水性无机富锌涂料要求钢表面处理后粗糙度达到25~50 m，如涂层达不到一定厚度，会造成有些部位太薄，起不到应有的防锈效果。（6） 水的影响。水性无机富锌涂料以水为溶剂和稀释剂，水的汽化热高，导致水性涂料较有机溶剂型涂料实干慢。环境的温、湿度，通风条件决定了水的挥发速度，从而影响水性无机富锌涂料的干燥速度。温度太低，水分挥发速度慢，高模数的硅酸盐与锌粉反应减缓，对固化不利；温度太高，大大加速了水分的挥发速度，涂层收缩太快，易发生干喷和龟裂现象，二者均影响涂料的干燥过程和涂膜的附着力。一般情况下，水性无机富锌涂料表干很快，在标准实验室条件下约5 min 可以表干，但固化完全，形成耐水性涂膜则需要一定时间。在温度高、湿度低，有风、阳光直射这些条件下，由于干燥速度过快就会出现诸如刷涂拉丝、过多的锌粉黏附在涂装工具上，以及龟裂现象；在干燥过程中如遇水，则由于涂膜来不及固化交联，涂膜耐水性差，将造成不同程度的粉化以至涂层被水淋下来而露出金属基体，涂料全面脱落。4 水性无机富锌涂料的改性41 基料的改性（1） 硅酸盐间的复配，如硅酸锂- 硅酸钾，硅酸锂- 硅酸钠体系复配。（2） 硅酸盐与合成树脂乳液复配。常用的乳液有苯丙乳液、硅丙乳液、醋丙乳液、改性水性环氧乳液等。有机乳液对硅酸盐改性前，需进行二者的配套性试验，因为硅酸盐碱性很强，与乳液颗粒的表面电荷不同，易引起破乳，复配后表现为很快返粗，甚至胶化。硅酸盐和硅丙乳液以及某些苯丙乳液相容性较好。加入硅丙乳液对体系的机械性能有很大提高，防腐蚀性能也得到保证。有机硅的优点在于具有优异的耐水性和耐温性，而且表面能低，将其用于水性涂料，能够消除因对树脂进行亲水改性而导致涂膜耐水性的降低，以及由高表面张力引起的各种水性涂料的涂膜弊病。硅丙乳液兼具有机硅树脂和丙烯酸乳液的优点，涂膜固化后的耐水性、耐候性和机械性能优异。将硅丙乳液混入硅酸盐中，化学结构和极性相差不大，所以不容易发生相分离，可以较好地发挥二者的优良性能。（3） 采用溶胶- 凝胶技术制备无机成膜物和有机乳液互穿共聚物网络，树脂中碱硅比高、稳定性好、不分层、不结块。（4） 向基料中加入一定量的硅溶胶和硅氧烷等，通过提高硅酸盐的模数，提高其涂膜的耐水性、柔韧性等，但只有当它们在电性能上相一致时，才能保证混合体系的稳定性，否则会导致体系凝胶化或破乳。
