片层状颜料对醇溶性鳞片富锌底漆性能的影响

片层状颜料对醇溶性鳞片富锌底漆性能的影响
常道阳,李运德,黄晓峰,董祥云(北京红狮漆业有限公司,北京 101111)

0 前言
富锌涂料由于其具有优异的电化学保护性能而广泛应用于钢铁设施的重防腐底漆领域。其电化学保护的机理是,锌粉腐蚀电位(-0.762 V)比钢铁腐蚀电位(-0.440 V)低,在发生腐蚀时则会优先腐蚀锌粉而保护钢铁,即是牺牲阳极阴极保护的作用。该作用的实现则需要涂层和钢铁基材之间实现电导通。而在采用球状锌粉的传统富锌涂料中,要实现涂层和钢铁基材之间的电导通,则需要添加大量的锌粉,通过球状锌粉之间的点接触实现电导通。这样涂料中锌粉用量大多超过80%,也就远超过了涂料自身的临界颜料体积浓度(CPVC),此时形成的涂层多孔,屏蔽性能差。同时大量锌粉的存在使得在施工中易发生锌粉的沉淀,继而引起堵枪等施工问题,影响施工质量和施工效率。
鳞片状锌粉最初用于达克罗涂料,将经过预处理的工件浸入含鳞片状锌粉的涂液,经烧结后形成涂膜。但达克罗的烧结工艺使其不具备普通涂料的现场施工和常温固化的性能。鳞片状锌粉具有优异的平行搭接性能,使其可在涂膜中形成叠瓦片状的交替层搭接,通过锌片之间的搭接进而易于实现涂层的电导通,可大大减少涂层中锌粉的用量[3]。其片层的结构,会在涂层形成“迷宫”效应,延长腐蚀介质在涂层中的扩散路径,因而屏蔽性能优良。锌粉的鳞片状结构同时赋予其具有良好的悬浮性能,进而避免了涂料中球状锌粉易于沉淀的弊病[4]。故鳞片状锌粉在普通常温固化的富锌涂料中有着广阔的应用前景。
本试验以醇溶性硅酸乙酯树脂为成膜物质,以鳞片状锌粉为主要防锈颜料制备。考察两种不同类型的片层状颜料,导电的铝粉和不导电的云母氧化铁,对该醇溶性鳞片富锌底漆的涂层附着力、导电性和耐盐雾性能的影响。

1 试验部分
1.1 试验原料及仪器
原料:鳞片状锌粉、正硅酸乙酯、聚乙烯醇缩丁醛树脂、云母氧化铁、铝粉浆、正丁醇、乙醇、蒸馏水、盐酸,等。
仪器:烧杯、高速分散机、天平,等。
1.2 试验过程
1.2.1 醇溶性鳞片富锌底漆的制备
A组分即主漆的制备:选用聚乙烯醇缩丁醛树脂液为鳞片状锌粉的承载物,将鳞片状锌粉和其他片层状颜料高速分散至该树脂液中。把聚乙醇缩丁醛树脂完全溶解于乙醇和正丁醇的混合溶液,制成10%质量分数的树脂液。混合溶液中乙醇和正丁醇的质量比1∶1。然后将鳞片状锌粉和选定的辅助片层状颜料依次分散至该树脂液中,900 r/min高速分散30min。1号试样选用的片层状颜料为铝粉浆、2号试样选用的片层状颜料为鳞片状锌粉自身、3号试样选用的片层状颜料为云母氧化铁,其配方如表1所示。
A组分的配方
B组分即固化剂的制备:选用Si-32正硅酸乙酯,将其溶解于正丁醇中形成溶液。取用少量浓盐酸,溶解于蒸馏水中,形成稀盐酸溶液。采用滴加的方法,将稀盐酸溶液滴加至正硅酸乙酯溶液中,将其催化水解,其配方如表2所示。
B组分的配方
1.2.2 测试样板的制备
将上述制备的1号、2号和3号的醇溶性鳞片富锌底漆A组分试样分别与B组分按照质量比1∶1的配比混合均匀。然后在喷砂等级为Sa2.5的钢板上喷涂制作测试样样板,做涂层相关性能的检测。
1.2.3 样板涂层性能的检测
1.2.3.1 附着力性能测试
附着力是涂层能对基材提供防腐、装饰性能的基础。醇溶无机富锌底漆是通过正硅酸乙酯的水解物与空气中的水蒸气反应形成连续膜,同时正硅酸乙酯的水解物还可与喷砂后具有较高活性的基材表面的钢铁反应,形成铁-硅酸-锌的结构,对其表面具有很强的化学结合力。按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆 拉开法附着力试验》的国家标准,测试上述3种试验醇溶性鳞片富锌底漆样品涂层的拉开法附着力性能。
1.2.3.2 导电性能的测试
由于富锌底漆形成电化学阴极保护作用是以涂层中锌粉之间的相互电导通为前提,故富锌底漆涂层的电阻率和其电化学保护作用有着直接关系。按照GB/T 16906—1997《石油罐导静电涂料电阻率测定法》的国家标准,测试上述3种醇溶性鳞片富锌底漆涂层的表面电阻率。
1.2.3.3 耐盐雾性能的测试
盐雾试验是通过人工模拟盐雾环境,考察材料耐腐蚀性能的试验,属于加速试验。对于涂层而言,则是考察其对金属底材的防锈保护能力的一种手段。按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》的国家标准,对上述3种醇溶性鳞片富锌底漆涂层的耐盐雾性能。

2 结果与讨论
2.1 附着力测试结果
用拉开法附着力测试仪对上述3种醇溶性鳞片富锌底漆测试样板涂层做附着力测试,测试结果见表3。
附着力测试结果
分析试样的附着力测试结果,其破坏强度均为4MPa左右,且都为涂层的内聚破坏,说明涂层对测试样板基材的附着牢固,涂层自身的抗拉强度是涂层破坏的控制因素。对比3种试样的数据,说明铝粉浆和云母氧化铁两种颜料的加入并未引起涂层附着强度的变化。
2.2 导电性能测试结果与讨论
用涂料电阻率测定仪对上述3种醇溶性鳞片富锌底漆测试样板做涂层表面电阻率的测定,测试结果见表4。
 表面电阻率测试结果
分析试样的表面电阻率测试结果,三者表面电阻率均小于107 Ω,说明3种试样的电导通性能良好,保证了涂层中鳞片状锌粉对基材的电化学保护的效果。对比3种试样,其中1号试样的表面电阻率要比2号和3号试样低1~2个数量级。其原因是配方中的片层状铝粉属于导体,且导电性优于鳞片状锌粉,与片状锌粉混合使用降低了涂层整体的表面电阻率。而3号试样,配方中添加的为不导电的片状云母氧化铁,和鳞片状锌粉复配后,未引起涂层表面电阻率的明显下降,说明现有的云母氧化铁加入量并未对锌粉之间的平行搭接造成影响,继而保证了涂层的电导通性能。
2.3 耐盐雾性能测试结果与讨论
将上述3种醇溶性鳞片富锌底漆的测试样板做1 200 h的耐中性盐雾测试,测试前将涂层划开,测试结果见表5。
耐盐雾性能测试结果
对比3种试样的锈蚀扩展宽度,1号试样和3号试样的扩蚀宽度均小于颜料只有鳞片状锌粉的2号试样,说明两种颜料的添加均有助于涂层耐盐雾性能的提升,尤其是云母氧化铁。
对比1号样和2号样,其中的颜料铝粉和锌粉的电极电位都低于铁的电极电位,两者相对于基材都具有阴极电化学保护效果,但有铝粉的1号样的涂层表面电阻率低于2号样,则其电导通性能优于2号样,进而其对底材的阴极保护的效果优于2号样。耐盐雾性能的测试结果印证了该推断。
对比2号样和3号样,两者涂层的附着力和表面电阻率基本一致。对于富锌涂层对钢铁基材的保护机理,除了有阴极保护作用,同时还有屏蔽效应的影响。云母氧化铁正是具有优异的屏蔽效果,在未影响到涂层电导通性和阴极保护效果的前提下,添加适量云母氧化铁有助于富锌涂层对底材整体保护效果的提升。这和耐盐雾测试的结果相吻合。

3 结语
基于对两种不同类型的片层状颜料对醇溶性鳞片富锌底漆的附着力、导电性和耐盐雾性能的测试结果,可得出以下结论:
(1)对于该富锌涂料,在配方中添加适量的片层状铝粉,会降低表面电阻率,提高涂层的电导通性和耐盐雾性能,同时不影响涂层的附着力,进而提高了该涂层对钢铁底材的保护效果。
(2)同样在未影响到涂层表面电阻率的前提下,适量的云母氧化铁可提高涂层的耐盐雾性能,提高涂层对钢铁底材的保护效果。这种方法可降低配方中锌粉用量,节约锌资源,同时也降低了配方成本。