杨振波 李运德 师华
中国一航北京航空材料研究院，北京，100095
摘要：介绍了目前低表面处理涂料(Surface Tolerant Coatings，俗称带锈涂料)各种技术的主要特点和发展状况。提出厚浆型长效防腐低表面处理涂料与水性低表面处理涂料将是该类涂料发展的重要方向。
关键词：低表面处理涂料；带锈涂料；防腐
中图分类号：TQ630.71 文献识别码：A
1 引言
为了防止钢铁腐蚀，人们在科学实验和生产实践中开发了许多防腐蚀方法，在众多的防腐蚀方法中，以涂料涂装防腐技术最为经济方便，因此得到了广泛应用。在钢结构进行防腐涂装前，为了保证涂层的防腐质量，必须对钢铁进行彻底的喷砂前处理，等级通常要达到Sa2½级。这对于整个工程施工来说，提出了极高的要求：1）喷砂需要专用设备，耗费大量磨料，使工程造价提高，通常占到整个工程的30~40%；2）对于复杂作业面的结构死角不能进行彻底的处理；3）会造成强烈的粉尘和噪声污染；4）喷砂会造成钢结构的减薄，使其强度降低，尤其是在旧钢结构的防腐维修中，这一点需特别注意。
另一方面，近年国内外有大量海上采油平台、已建桥梁、电塔、体育馆等钢结构进入了维修期，需要对旧有涂层进行重新涂装。而在这些已建钢结构的基础上进行喷砂前处理的难度非常之大，其涉及环境保护，施工难度，工程维修造价等各个方面。因此，国内外多采用手工除锈对这些旧钢构进行表面处理。此外，在船舶制造与维修领域，随着世界各国对工人劳动保护的要求越来越高，高压水除锈和湿喷砂工艺正逐步取代传统的喷砂工艺，对舰船内部特别是封闭环境的钢材表面进行前处理。
采用手工除锈、高压水除锈及湿喷砂除锈工艺后的钢材表面很难达到Sa2½级的要求，经处理过的钢铁表面往往带有锈蚀和水，甚至油。鉴于此原因，开发对涂装前钢结构表面处理要求等级较低的低表面处理涂料（SurfaceTolerantCoatings），特别是高性能的厚浆型长效防腐低表面处理涂料与水性低表面处理涂料，是目前涂料研究开发的热点，也是未来涂料的发展趋势。
2 低表面处理涂料技术的基本原理
铁锈是一种疏松多孔的含水固体，其外层是浮锈，与底材附着不牢；内层是牢锈，与底材紧密结合。从组成上看，是稳定无害的铁氧化物（Fe3O4，Fe2O3，α-FeOOH）和活泼有害的铁化物(γ-FeOOH，Fe(OH)2，FeO，Fe(OH)3)的混合物。因此，低表面处理涂料除了必须具有一般防锈涂料的性能之外，还必须具备两个特殊的条件，一是低表面处理涂料对锈层必须具有足够的渗透能力，即能充分浸润、渗透整个疏松多孔的锈层，使铁锈粘结成为连续的封闭性涂层，以封闭整个锈层和钢铁表面；二是低表面处理涂料对锈层必须有足够的反应性，即能使锈层中活泼有害的铁化物经过钝化、转化，变成稳定的无害的填料。只有具备这两个条件，才能适应锈层这样的特殊表面。
基于上述理由[1,2]，低表面处理涂料的基本原理是采用渗透性较好的树脂为基料，借助于渗透剂、极性溶剂的配合，使涂料具有好的渗透性，从而浸润和渗透锈层，并将其封闭。另外，依靠涂料中树脂的反应基团、活性颜料或铁锈转化剂与锈层中活泼有害的成分反应，生成稳定的抑制化合物，从而使整个锈层成为稳定的保护膜。
3 低表面处理涂料技术的基本类型
传统的高VOC溶剂型低表面处理涂料（俗称“带锈涂料”）的开发较早，早在上世纪七十年代，国内外就开发出了一系列该类涂料。归纳起来大体可分为四类[3,4]：渗透型、稳定型、转化型，以及近年来新出现的功能型低表面处理涂料。
3.1 转化型低表面处理涂料
也叫反应型带锈涂料。这类涂料中，不含成膜物质则被称为锈蚀转化剂，由于没有成膜物质，所以还需要另外加上底漆；如含有成膜物质则称为锈蚀转化底漆。锈蚀转化剂不是涂料，只是和锈层惰性化后，使在其之上的底漆发挥出保护作用。
锈蚀转化底漆，由于含有成膜物质，既能使锈蚀转化成惰性物质，又能封闭锈蚀与外界隔绝，是一种使锈蚀层成为坚实的惰性的并能良好的附着于钢铁表面的涂料。该类涂料的主要机理是依靠涂料中的锈蚀转化剂把活泼的铁锈转化为无害或具有一定保护作用的络合物或鳌合物而达到带锈涂装的目的。转化型带锈涂料一般都采用磷酸——丹宁酸，使锈层转化成不溶性稳定的磷酸铁、丹宁酸铁盐，而起到保护作用，但酸的使用量难以掌握，如磷酸过量就会促进腐蚀，其后患无穷。同时转化型带锈涂料含有较少的成膜物质，使用时最好要与其它底漆配合，即在涂装转化型带锈涂料之后，再涂以其它底漆，否则效果极差。因此，转化型带锈涂料的使用务必慎重。而国内早期开发的低表面处理涂料大多属于该类型涂料。转化型低表面处理涂料通常不能单独使用以保证长效防腐，通常还需要涂上面漆。
3.2 稳定型低表面处理涂料
稳定型低表面处理涂料的基本原理主要是依靠涂料中树脂的反应基团、活性颜料与锈层中活泼有害的成分的反应，生成稳定的抑制化合物，从而使整个锈层成为涂料中稳定型的具有保护性的填料成分。典型的稳定型带锈涂料采用铬酸盐、磷酸盐等活性混合颜料，它们水解而产生相应得铬酸根和磷酸根，形成杂多酸。该杂多酸与锈层内活泼的铁锈酸FeOOH生成杂多酸类的络合物，从而对铁锈起稳定作用。使用最多的活性颜料包括：铬酸锌、铬酸钡、铬酸钙、氧化锌、磷酸锌、三聚磷酸铝、有机氮碱铬酸盐，有的配方还添加亚硝酸钠，也有资料认为加入铬酸锶是必要的。铬酸盐颜料水解生成阴离子，有机氮碱铬酸盐水解后可生成氮碱离子基团。两者均由吸收活性铁酸锈的作用。氧化锌调整pH值，钡、钙离子与环境中的二氧化硫生成的酸根结合为难溶的盐，这些综合作用使铁锈趋于稳定。
3.3 渗透型低表面处理涂料
渗透型低表面处理涂料的基本原理是采用渗透性强的树脂作为漆基，借助于渗透剂、极性溶剂的配合，使涂料具有良好的渗透性，从而可以浸润和渗透钢铁表面锈层并把锈层封闭。它可有效地将锈蚀和外界腐蚀因子隔绝，增强锈蚀层与钢板、锈蚀层与涂层、涂层与钢板间的附着力。
3.4 功能型低表面处理涂料
近年来，开发的新型低表面处理涂料结合了转化型、稳定型、渗透型的特点，同时对树脂结构有了进一步的改进，基料中含有能与锈层中残存的水反应的树脂，有效地除去并利用腐蚀因素。如采用用酮亚胺作潜固化剂，
更能使涂料渗透，增加进入锈蚀层的深度，同时酮亚胺能与存在于锈层中的水分迅速起反应，分解成为环氧树脂真溶剂的酮和作为固化剂的一级胺。一级胺再与环氧树脂进行充分的反应，使环氧树脂很好的渗透到锈层中，形成对外部腐蚀介质有很强覆盖能力的高交联涂膜，并把锈层固定，而且在环氧树脂的固化反应中生成的酮类与有机溶剂和锈层中的水分一起挥发掉，不产生气泡，从而发挥了优异的防蚀性能。
某些功能型低表面处理涂料具有带油涂装的功能[5]。由于油分子基本上是烷烃类有机物，化学性质比较稳定，常温下很难发生化学反应而清除，因此只能采用“相似相溶”原理对其进行处理，即采用与油能起络合乳化作用的基料和添加剂、固化剂将其从钢板上剥离下来，作为增塑剂混在涂层中。而与油分子具有较好混容性的易挥发溶剂在挥发过程中也可带走一部分油分子。常用的材料有OP系列表面活性剂，磺酸盐和硫酸盐类表面活性剂、ZH-1、CD32溶油性环氧固化剂、腰果壳油改性环氧固化剂等。
4 低表面处理涂料技术的发展趋势
由于对生存环境要求的提高，环保意识的加强和深入，社会上迫切需要低公害或无公害的低表面处理涂料，同时人们对低表面处理涂料的防腐性能也提出了更高的要求。在这种情况下。国内外加强了对厚浆型长效防腐低表面处理涂料与水性低表面处理涂料的研究与应用。
4.1 厚浆型长效防腐低表面处理涂料
美国Tapecoat公司的渗透型厚浆环氧铝粉低表面处理涂料[6,7]，是一种在海上石油钻井平台具有10年以上应用业绩，上万平米以上涂装实践的厚浆型长效防腐低表面处理涂料。从防锈机理上看，它属于渗透型，该涂料利用渗透性好的改性环氧树脂，以浸润、渗透、充满疏松多孔的锈层，置换锈层的水分，形成连续性涂膜，把锈层和钢铁表面包封起来，从而隔绝外界腐蚀介质对锈层的侵害，阻止了锈蚀的发展。此外，它还采用了鳞片型的铝粉作为填料，该种填料在涂层中形成了互相交错的瓦片状结构，屏蔽性极佳，能阻隔外界腐蚀性介质的渗入。同时又可将紫外线反射，提高了该环氧类涂料的耐候性能。
同类涂料还有挪威Jotum Protecive Coating公司生产的Jotamastic87，美国Carboling公司生产的Carbomastic15，Ameron公司Amerlock400等厚浆型低表面处理涂料。该类涂料同样在树脂的组成结构上进行改姓，降低其表面张力，提高对活性锈蚀的鳌合能力，也加入了片状颜料，提高防锈性能和抗起泡能力。
上述这些厚浆型低表面处理涂料适用于湿喷砂或喷砂后用水洗过而生成浮锈的钢铁表面，同时对锈蚀钢板和很多旧残漆具有优良的附着力，只需要进行初步处理，就能达到很好的综合防锈性能，且和很多旧漆具有很好的相容性，施工方便，且一道涂料可达120微米。
还有日本涂料公司报导，该公司为严酷腐蚀环境下的海上钢结构物的防腐，开发了一种具有优异防腐性能的厚膜型长效防腐涂料。该涂料之所以具有良好的柔韧性、厚膜性、湿润面的附着性和锈面的防腐性，是因为：1）采用了与锈面附着性好的树脂，使其纵弹性模量下降，内部应力变小，不会产生凝聚力弱的锈层，其标准膜厚1000微米，仍与锈面的附着性良好；2）使用疏水性特殊树脂，能把锈层中的水分赶走，因此与湿润面的附着性也很好；3)使用特殊防锈颜料，控制膜下的阴、阳极反应，使锈层稳定，阻止锈蚀的发展。
4.2 水性低表面处理长效防腐涂料
水性低表面处理涂料大都采用苯丙复合乳液[8]、纯丙乳液等一些水性乳液或树脂为基料，三聚磷酸铝、磷酸锌、氧化锌等活性防锈颜料制成涂料，该类涂料也是利用涂料渗透到锈层内部，将铁锈分割包围，而活性颜料中的P3O105-及PO3-除了与成膜物中的极性基团（-OH，-COOH）络合成稳定交联化合物外，更能与Fe、Fe生成鳌合物，在金属表明形成稳定的保护膜，抑制锈蚀的形成和分层，从而起到防锈作用。
国外Rust-Oleum公司的Rust Reformer是含有锈蚀转化剂的聚合物乳液，可将铁锈转化为惰性的无腐蚀的黑色物质。Haloflex（氯化乙烯—丙烯酸共聚体）是推荐用在以丹宁酸为转化剂的锈蚀转化底漆中的成膜物质，由于单宁酸与铁锈是在pH1.5~2酸性条件下进行转化，而Haloflex是酸性乳液，所以这种酸性乳液作为水性锈蚀转化底漆的成膜物质是很理想的。
4.3 互穿网络聚合物（IPN）稳定型低表面处理涂料
华中理工大学的梁春群[9]等人用蓖麻油与TDI先以NCO/OH=2.1摩尔比在室温合成预聚物，再与计量的蓖麻油、191不饱和聚酯及氯代乙烯混合。然后加入少量催化剂Sn及氧化还原引发剂，与磷酸锌、氧化锌、铁红等活性防锈颜料混合加工制备的互穿网络聚合物（IPN）稳定型低表面处理涂料，其质量固体含量可达70%，用于带锈铁板，在3.0%的盐水中浸泡10个月，涂层无起泡无开裂，具有良好的防腐性能。该项研究为互穿网络聚合物（IPN）涂料进一步用于低表面处理涂料打下了一定的基础。
5 结束语
综上所述，早期发展的低表面处理涂料多属于单一作用机理的高VOC溶剂型涂料[10]，该类涂料涂层的防腐寿命低，同时不利于环保。而随着科学的发展和社会的进步，低表面处理涂料将向以下几方面发展：
a）从原材料上，开发对锈蚀具有较好稳定效果的反应性树脂、鳌合树脂等品种；
b）从作用原理上，应从单一的渗透型、稳定型、转化型朝着多原理相结合的多功能涂料的方向发展，从而大大的提高低表面处理涂料的性能和效果；
c）从防腐效果上，开发高性能长效防腐低表面处理涂料；
d）从环保角度上，朝着节约能源和改善施工环境方向发展，譬如开发高固体份、水性涂料。
总之，低表面处理涂料具有很高的实用价值，将有着广阔的市场前景。随着科学技术的发展和生产生活的需要，该类涂料将在各个领域得到广泛的应用。
参考文献
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作者简介：杨振波（1978—），男，四川广元人，硕士，工程师，研究方向为防腐涂料及涂装。
作者联系方式：yangzhenbo@sina.com
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