有机氮化合物锌盐防锈蚀抑制剂在涂料中的应用

0 引言

中国已成为全球主要的钢铁生产及消费国。作为全球瞩目的制造大国，中国的造船业已排名第三，集装箱业已排名第一。在工程机械、机车车辆、石化设备、贮罐、管道领域也占有相当大的份额。槽钢、卷钢等建材的产量也在逐年提高。而每年因钢铁锈蚀造成的损失也是巨大的，因此必须采取防锈措施。
钢铁材料可通过以下途径来实现防锈蚀：
（1）使用涂料使基材隔绝空气和水分。

（2）改善涂料与基材的附着力。

（3）牺牲阳极保护阴极。

（4）对金属基材进行磷化/ 钝化处理。

鉴于防锈涂料对中国经济的重要性和中国涂料行业的实际情况，本文将深入探讨有机氮化合物锌盐在防锈涂料中的作用。

1 钢铁的防锈机理

在酸性较强的溶液中发生电化学腐蚀时放出氢气，这种腐蚀叫做析氢腐蚀。在潮湿空气中，钢铁表面会吸附水汽而形成一层薄薄的水膜。水膜中溶有二氧化碳后就变成一种电解质溶液，使水里的H+ 增多。其构成无数个以钢铁为负极，碳为正极，酸性水膜为电解质溶液的微小原电池。无数的微小原电池效应使氢气在碳的表面放出，钢铁被腐蚀。

如果钢铁表面某些区域主要进行阳极反应，其余表面区域主要进行阴极反应，则称前者为阳极区，后者为阴极区，阳极区和阴极区组成了腐蚀电池。直接破坏钢铁材料的是阳极反应，故常将被保护钢铁与另外的电极电位较低的金属相接触，以使腐蚀发生在电位较低的金属上。

如果进行阴极极化，电位将向更负的方向移动，如果使钢铁阴极极化到更负的电位，腐蚀电流为零，钢铁就实现了完全保护。通常采用牺牲阳极保护阴极的作法。

2 防锈颜料的选择

用来保护钢铁，避免或延缓其腐蚀的特种涂料必须选择适当的防锈蚀颜料。铬酸锌是众所周知的活性防锈蚀颜料。但由于其被认定为致癌物质，所以在很多发达国家被禁止使用。这使得磷酸锌在防锈涂料领域扮演了更为重要的角色。

初健先生曾指出：涂料中使用的磷酸锌具有2 个结晶水，其可与-OH 和-COOH 基团反应，生成凝胶体。当涂料所用树脂的羟基和羧基与磷酸盐反应时，将增进内层粘结力。

另外，铵盐对金属具有很强的腐蚀作用，磷酸锌能抑制铵离子对涂膜的渗透及扩散作用，使金属表面“磷酸盐化”并保持钝态。磷酸根可抑制铵离子对金属的腐蚀，而锌离子则在钢铁表面形成阴极保护，阻止金属进一步腐蚀。问题是只有可溶性磷酸盐才会在金属表面的阴极区域形成二价铁离子反应，或者水解后能与铁锈生成杂多酸络合物，形成坚韧的涂膜，从而稳定铁锈。铬酸锌具有一定的溶解度，其具有化学及电化学的活性作用，但磷酸锌却几乎不溶。此外，磷酸锌与铬酸锌不同，其水解过程需要一定的时间和一定的湿度，并受制于树脂的水渗透性及涂膜的PVC（颜料体积浓度）。

为此，科宁公司开发了Alcophor 827。它是一种有机氮化合物锌盐，是能使钢铁表面钝化的氧化剂，其引入亲电子取代基而降低了氮原子上的电子密度，可协同磷酸锌互为因果起到阳极的作用。按照所期望的要求，形成局部腐蚀电势（图1、2）。
使用了Alcophor 827 的电势比较

从图2 可以看出：Alcophor 827 主要在阳极区域起作用；磷酸锌的腐蚀电位很负，钢铁在腐蚀介质中处于活化状态，形成腐蚀；铬酸锌使钢铁的腐蚀电位正移进入了钝化区，使阳极极化增大；磷酸锌+Alcophor 827（90∶10），较铬酸锌进一步使阳极极化增大，降低了阳极的反应速度，抑制了腐蚀。

醇酸漆是我国主流的涂料产品。本文将着重探讨使用此类亲油树脂制备较高性能的防锈涂料的方法。此外，Alcophor 827为水油通用型产品。本文也将介绍其在水性环氧防锈底漆中的应用案例。

3 Alcophor 827 在醇酸体系中的应用

在不同醇酸树脂体系中将Alcophor 827与磷酸锌配用进行实验，并与铬酸锌及纯的磷酸锌进行对比。所有参试涂料的PVC（颜料体积浓度）均一致。采用标准涂布器（Pattern Paint Spinner），旨在保证涂膜厚度一致，涂膜厚度按照体系的要求并在配方中加以规定。将每块测试样板放入盐雾箱进行耐盐雾性实验（DIN 53167）或Kesternich- 起泡实验（DIN 50018）。

3.1 气干性醇酸底漆

基于棉籽油、长油醇酸树脂的气干性醇酸底漆配方见表1。