水性無(wú)機(jī)富鋅與環(huán)氧富鋅涂料的比較

       富鋅涂料（底漆）分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類，有機(jī)類主要采用環(huán)氧樹(shù)脂作粘結(jié)劑（基料），而水性無(wú)機(jī)富鋅涂料則以硅酸鈉、鉀、鋰水溶液（基料）為粘結(jié)劑。 
 

       經(jīng)歷了近 70 年 3 代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料以其優(yōu)異的防腐蝕性、自修復(fù)性、耐熱性、耐溶劑性、可焊性和零 VOC 排放，在大氣和海洋重防腐工程中取得令人滿意的效果，得到愈來(lái)愈多業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)同。
 

       近年來(lái)，各國(guó)為控制 VOC 的排放量，制定了日益嚴(yán)格的法規(guī)。在國(guó)外，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料替代有機(jī)類富鋅涂料已成為最重要、使用最普遍的重防腐涂料品種。 
 

       雖然國(guó)內(nèi)尚未制定 VOC 排放法規(guī)，但隨著國(guó)人環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及對(duì)水性無(wú)機(jī)富鋅認(rèn)識(shí)的提高，自 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料已在國(guó)內(nèi)逐步推廣。天津化工研究設(shè)計(jì)院自 80 年代初就對(duì)水性硅酸鋰富鋅涂料進(jìn)行開(kāi)發(fā)研制，成為國(guó)內(nèi)最早研究、生產(chǎn)、應(yīng)用該產(chǎn)品的單位，至今已廣泛應(yīng)用于大型原油貯罐、各類管道、大型建筑鋼鐵構(gòu)件、海洋平臺(tái)等大型設(shè)施領(lǐng)域，但由于國(guó)內(nèi)使用該類涂料時(shí)間尚短，加上缺乏環(huán)保意識(shí)，因此目前國(guó)內(nèi)作為重防腐底漆多數(shù)仍采用環(huán)氧富鋅涂料，本文對(duì)這兩種富鋅涂料（底漆）的性能從理論和實(shí)踐上作了比較全面的闡述，以引起人們的關(guān)注并與業(yè)內(nèi)人士共同探討。
 

       1 性能比較
 

       1.1 屬性
 

       水性無(wú)機(jī)富鋅涂料以硅酸鹽為成膜反應(yīng)物與鋅反應(yīng)生成硅酸鋅網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此可稱為無(wú)機(jī)硅酸鋅涂料，屬綠色環(huán)保型涂料。

環(huán)氧富鋅涂料是以環(huán)氧樹(shù)脂為成膜物并以有機(jī)溶劑為稀釋劑的涂料，屬有機(jī)類涂料。
 

       1.2 附著力
 

       水性無(wú)機(jī)富鋅涂料由于硅酸鹽與鋅粉反應(yīng)的同時(shí)還與鋼鐵反應(yīng)形成硅酸鋅鐵絡(luò)合物，因而對(duì)鋼鐵表面形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵，從而可抵抗水、海水、有機(jī)物、氯化物等的侵蝕。
 

       環(huán)氧富鋅涂料的附著力靠樹(shù)脂對(duì)鋼鐵表面的粘結(jié)力，屬物理吸附，初始附著力較好，但有機(jī)物的耐候性差，在惡劣環(huán)境下更易老化，從而附著力慢慢降低。

 

       1.3 耐蝕性能 
 

       富鋅涂料的防銹蝕機(jī)理是通過(guò)鋅與鋼鐵基材表面直接接觸，當(dāng)腐蝕介質(zhì)滲入漆膜與鋼鐵界面就會(huì)形成一個(gè)由鋅 - 鋼鐵組成的原電池，因鋅的電化學(xué)活性（標(biāo)準(zhǔn)電極電位為 -0.763 V ）較鐵（ -0.449 V ）活潑，鋅為陽(yáng)極失去電子而犧牲，鐵為陰極得到電子而得到保護(hù)，即所謂鋅起到了陰極保護(hù)作用。 
 

       另外犧牲的鋅形成 Zn 2+ 與空氣中的水分和二氧化碳反應(yīng)生成堿式碳酸鋅［ 3Zn （ OH ） 2 · 3ZnCO 3 ］等產(chǎn)物，這些不溶于水、不導(dǎo)電的腐蝕產(chǎn)物填充在漆膜空隙中，如某點(diǎn)鋅粉已消耗（或有漏點(diǎn)或缺損）則腐蝕產(chǎn)物就會(huì)沉積在此處基材上形成致密膜，阻擋、屏弊腐蝕因子透過(guò)，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)防銹蝕的時(shí)間，這些反應(yīng)的結(jié)果即所謂富鋅漆具有自修復(fù)性能。 
 

       不論水性無(wú)機(jī)富鋅涂料還是環(huán)氧富鋅涂料，均具有陰極保護(hù)作用和自修復(fù)性能。 
 

       但水性無(wú)機(jī)富鋅涂料由于硅酸鹽在同鋅粉反應(yīng)的同時(shí)還與基材金屬鐵反應(yīng)形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵結(jié)合，而環(huán)氧富鋅涂料僅為物理吸附，而且有機(jī)質(zhì)導(dǎo)電性能較差，要獲得同樣的陰極保護(hù)效果時(shí)，環(huán)氧富鋅涂料干膜中的鋅含量應(yīng)更高些。例如美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)涂裝協(xié)會(huì) SSPC 某一型號(hào)富鋅漆中對(duì)鋅粉含量作了規(guī)定，為了該漆能導(dǎo)電而起陰極保護(hù)作用，該類漆的干膜中最低含鋅量為：無(wú)機(jī)富鋅為 74% ，環(huán)氧富鋅則為 77% 。另外尚有實(shí)驗(yàn)證明，在無(wú)機(jī)富鋅和環(huán)氧富鋅底漆中加入磷鐵粉 Fe 2 P 取代一部分鋅粉，其陰極保護(hù)時(shí)間對(duì)無(wú)機(jī)富鋅涂料而言，即使 Fe 2 P 含量達(dá)到 24% 與不含 Fe 2 P 時(shí)基本相當(dāng)，但對(duì)環(huán)氧富鋅涂料而言，即使鋅含量高達(dá) 97% ，其耐蝕期仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及無(wú)機(jī)富鋅涂料，而少量摻入 Fe 2 P ，其陰極保護(hù)作用就會(huì)迅速消失。 
 

       因此，無(wú)機(jī)富鋅涂料的耐腐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料。據(jù)（美國(guó)）國(guó)家航空航天總暑（ NASA ）報(bào)告（表 1 ），在各類富鋅涂料中，耐腐蝕性最佳的為水性無(wú)機(jī)富鋅涂料，它在海洋大氣條件下的使用壽命至少為 25 年。 
 

       表 1 各類富鋅涂料在海洋大氣中的使用壽命對(duì)比

       工程中各類構(gòu)件經(jīng)涂裝底漆后，下一步組裝時(shí)切割和焊接是主要的加工作業(yè)，因此底漆的可切割性和可焊接性，即其耐熱性能十分重要，即在作業(yè)時(shí)漆膜的燒損面積應(yīng)小，一般蔓延應(yīng)在 10~ 25 mm 內(nèi)，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料在形成硬化膜時(shí)以聚硅氧烷（ Si — O — Si ）相結(jié)合，這種 Si — O 鍵的結(jié)合能為 445.2 kJ/mol ，比形成有機(jī)高分子的 C — C 鍵結(jié)合能（ 346.9 kJ/mol ）大得多，因而無(wú)機(jī)富鋅涂料比環(huán)氧富鋅涂料具有更強(qiáng)的耐熱性，長(zhǎng)期可耐 400 ℃ ，瞬間 800 ℃ 。顯然在焊接和切割等熱加工時(shí)燒損面積前者比后者要小。

 

       1.5 導(dǎo)靜電性
 

       一般可用于防止和消除靜電的導(dǎo)電涂料的電阻率為 10 6 ~10 8 Ω · cm 。當(dāng)水性無(wú)機(jī)富鋅涂料干膜中鋅含量≥ 74% 時(shí)，其電阻率一般為 10 3 ~10 8 Ω · cm （符合石油部防靜電標(biāo)準(zhǔn)），遠(yuǎn)低于一般導(dǎo)電涂料，即水性無(wú)機(jī)富鋅涂料消除靜電的性能遠(yuǎn)好于一般導(dǎo)電涂料。據(jù)報(bào)導(dǎo)，在各類大型原油儲(chǔ)罐、溶劑儲(chǔ)罐和燃油儲(chǔ)罐中采用無(wú)機(jī)富鋅涂料涂裝成功的實(shí)例已經(jīng)很多，天津化工研究設(shè)計(jì)院與天津中油渤星工程科技公司合作于 2000 年在海洋石油總公司綏中 36-1 項(xiàng)目中將 WZ-116 水性無(wú)機(jī)富鋅涂料用于 2~5 萬(wàn) m 3 大型原油儲(chǔ)罐的內(nèi)防腐，至今運(yùn)行情況良好。
 

       因有機(jī)物導(dǎo)電性能較差，因此環(huán)氧富鋅的導(dǎo)靜電性不及水性無(wú)機(jī)富鋅涂料，見(jiàn)表 2 。
 

       表 2 水性無(wú)機(jī)富鋅涂料與其它導(dǎo)電涂料導(dǎo)電性能比較

       這是水性無(wú)機(jī)富鋅涂料的一個(gè)突出性能，幾乎在所有烴類溶劑（包括原油、燃料油、汽油、甲苯、二甲苯以及其它脂肪烴和芳香烴石油產(chǎn)品）中都不溶。對(duì)許多強(qiáng)溶劑，如醚、酮以及氯化烴均具有很強(qiáng)的抵抗能力。
 

       環(huán)氧富鋅涂料因以環(huán)氧樹(shù)脂為粘結(jié)劑，屬有機(jī)類，顯然對(duì)原油等的抵抗性能遠(yuǎn)不及水性無(wú)機(jī)富鋅涂料。
 

       1.7 環(huán)保安全性
 

       水性無(wú)機(jī)富鋅涂料以水為稀釋劑，零 VOC 排放，無(wú)閃點(diǎn)、不燃、不爆、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)污染。不但保障了工人的健康和環(huán)境的舒適感，而且無(wú)需采取任何防火措施，大大簡(jiǎn)化了施工條件，既節(jié)省費(fèi)用又提高了效率和安全性。 
 

       環(huán)氧富鋅涂料，不但環(huán)氧樹(shù)脂本身為有機(jī)物，并以有機(jī)溶劑，如苯、二甲苯等為稀釋劑，顯然其環(huán)保和安全性無(wú)法與水性無(wú)機(jī)富鋅涂料相比。 
 

       1.8 配套性能
 

       一般來(lái)說(shuō)，環(huán)氧富鋅涂料較易與各類面漆配套，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料除油性漆和醇酸漆不能配套外，可與目前普遍使用的環(huán)氧、丙烯酸、聚氨酯、乙烯類漆配套，如涂環(huán)氧過(guò)渡層漆則可與更多的面漆配套，且效果更佳。 
 

       雖然一般來(lái)說(shuō)水性無(wú)機(jī)富鋅底漆的配套性能不如環(huán)氧富鋅底漆，但目前可配套的面漆品種仍很多，完全能滿足防腐工程的需求。 
 

       1.9 施工性能 
 

       （ 1 ） 基材表面處理 
 

       水性無(wú)機(jī)富鋅漆在成膜過(guò)程中與鋼鐵表面形成化學(xué)鍵，因此對(duì)基材表面的處理要求嚴(yán)格，必須達(dá)到 Sa 2.5 級(jí)，并使表面有一定的粗糙度，增加表面積，確保鋅粉能同鋼鐵緊密接觸。
 

       環(huán)氧富鋅涂料附著力主要由有機(jī)樹(shù)脂對(duì)基材的物理吸附貢獻(xiàn)，因此對(duì)基材表面處理程度可相應(yīng)降至 Sa 2.0 級(jí)，但實(shí)際施工中也要求達(dá)到 Sa 2.5 級(jí)。值得指出的是，在重防腐領(lǐng)域， Sa 2.5 級(jí)是普遍采用的級(jí)別，目前噴砂（噴丸）技術(shù)完全可以達(dá)到。
 

       （ 2 ） 施工環(huán)境問(wèn)題 
 

       水性無(wú)機(jī)富鋅涂料以水為稀釋劑，只有通過(guò)水分的揮發(fā)才能使?jié)衲ば纬晒杷徜\致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的漆膜，因此這類涂料對(duì)施工環(huán)境，如氣溫、濕度、風(fēng)力等比較敏感，相比之下，環(huán)氧富鋅涂料由于以有機(jī)溶劑為稀釋劑，較少受環(huán)境的影響。 
 

       值得提出的是， WZ-116 系列水性無(wú)機(jī)富鋅涂料已能滿足不同環(huán)境條件下的施工要求。另外，對(duì)自動(dòng)涂裝流水線作業(yè)而言，因基本呈封閉型，大大削減了外部氣候環(huán)境的影響，對(duì)水性無(wú)機(jī)富鋅涂料的施工十分有利。
 

       2 結(jié)語(yǔ) 
 

       （ 1 ） 水性無(wú)機(jī)富鋅涂料因其硅酸鹽粘結(jié)劑在與鋅粉反應(yīng)的同時(shí)還與基材鋼鐵反應(yīng)，系化學(xué)鍵相結(jié)合，其耐蝕性，作為重防腐涂料的使用壽命，大大優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料。

       （ 2 ） 水性無(wú)機(jī)富鋅涂膜的耐熱性、耐有機(jī)溶劑性、導(dǎo)電性均優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂膜，因而更適合作為各類油品儲(chǔ)罐的內(nèi)防腐涂料。

       （3 ） 顯然，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料的環(huán)保安全性能大大優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料。

       （ 4 ） 雖然水性無(wú)機(jī)富鋅涂料對(duì)施工環(huán)境條件較為敏感，但 WZ-116 系列產(chǎn)品在這方面已有很大改進(jìn)，可適應(yīng)不同施工環(huán)境的需求。

       （ 5 ） 隨著環(huán)境保護(hù)愈來(lái)愈受到全世界的關(guān)注，各國(guó)為節(jié)約能源和控制 VOC 的排放量，制訂日益嚴(yán)格的法規(guī)，人們的環(huán)保意識(shí)也日益增強(qiáng)，盡量采用質(zhì)高又環(huán)保的產(chǎn)品已成為人們的共識(shí)，水性無(wú)機(jī)富鋅涂料代替環(huán)氧富鋅涂料已成為一種趨勢(shì)。