鳞片状锌粉量对改性富锌涂层性能的影响

鳞片状锌粉量对改性富锌涂层性能的影响1

江静华，张留艳，马爱斌，杨东辉

河海大学材料科学与工程学院，江苏南京(210098)

E-mail：zhangliuyanjust@163.com

摘 要： 将不同量鳞片状锌粉与硅丙乳液改性的高模数硅酸钾溶液混合，制备浓度不同的新型无机富锌涂层。对涂料及其涂层的性能测试结果表明，涂料中加入25mass.％的鳞片状锌粉时，基料对鳞片状锌粉有更好的润湿分散性，所得涂层的黏结力、耐水性、耐酸性、耐高温性、阴极保护作用最佳，涂层的耐蚀性良好，具有应用价值。 关键词：鳞片状锌粉；无机富锌涂料；改性基料

中图分类号：TQ 630.7 文献标志码：A 文章编号：

1. 引 言

水性无机富锌涂料在耐蚀性、耐高温性、耐溶剂性、抗滑耐磨性等方面有着优异的性能

[1]

，其广泛应用在各种防腐领域[2-3]，如炼油、船舶、桥梁、贮罐、管路、厂房钢结构、锅

炉烟囱等各种钢设备的防腐保护[4]，并均达到低成本、长效性的防锈防腐效果[5]。而且其突出的节能环保性使其成为防腐涂料的重要研究方向之一[6]。

然而，目前在水性无机富锌涂料中，多以球状锌粉为颜料[7]，其必然存在一些不足，如锌粉用量大、涂层柔韧性差、空隙率较大、涂膜厚度过大等[11]。众所周知，鳞片状锌粉在遮盖能力、漂浮能力和屏蔽能力方面有着突出的优点[7,9]，国外涂料工业已经广泛使用鳞片状锌粉浆[10]作为颜料，如达克罗涂层、环氧富锌涂层等，配置涂料时锌粉用量大大减少[8]、国内目前将鳞片状锌粉使用的水性无机富锌涂料中的研究还很涂层耐蚀性能明显提高[13-15]。

少[11]，鳞片状含量对涂料性质和涂层性能的影响及含量的确定有待进一步研究。

2. 试验方法

2.1 实验仪器与原材料

2.1.1 原材料

硅溶胶(25wt.%)，南京通海科技有限公司；硅丙乳液(固含量48wt.%)，南京康怡达涂料化工有限公司；氢氧化钾，分析纯；鳞片状锌粉(厚度0.1μm-0.3μm，平均片径5μm-8μm)，江苏泰州科创高分子材料有限公司；高效水性涂料消泡剂，南京通海科技有限公司；蒸馏水（或去离子水）、盐酸、氯化钠，分析纯；30mm×30mm×3mm 的Q235钢板等。 2.1.2 实验仪器

JJ－1定时电动搅拌器；恒温水浴锅；磁力搅拌器；电子天平；500ml锥形瓶；烧杯；砂纸；喷砂机；中性盐雾试验机；TD3690型恒电位仪与微机组成的电化学测试设备等。

1基金项目：国家“十一五”科技支撑计划重大项目（2006BAA01A24-3）

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2.2实验方法

2.2.1改性高模数硅酸钾溶液的制备

根据前阶段优化试验，确定碱溶法制备高模数硅酸钾溶液的最佳方法为，称取质量比为10.7:1硅溶胶和氢氧化钾，将硅溶胶加入带有电动搅拌器的恒温容器中，在恒温50℃-60℃下，边搅拌边将氢氧化钾缓慢加入反应容器中，混合溶液搅拌反应10min左右，即得到高模数的硅酸钾溶液。称取一定量的高模数硅酸钾溶液到烧杯中，加入质量分数15%左右的硅丙乳液，电动搅拌40min后即得到改性基料。 1.2.2 富锌涂料及涂层的制备

将改性基料加入烧杯中，电动搅拌下，逐渐加入质量分数分别为15%、20%、25%、30%、35%和40%的鳞片状锌粉，搅拌一定时间，分散均匀后，得到所需要的涂液；将经过碱液除油、喷砂除锈好的试件，浸入涂液中1min左右，取出后自然沥干，悬挂于常温通风室内，一般24h内试件表面形成完全固化的保护涂层。 1.2.3 涂层性能的测试

比较不同鳞片状锌粉量的涂料性质和涂层性能。其中分析的涂料性质包括，涂料中锌粉分散均匀的时间、涂料的胶化时间及涂料中有机乳液的分散均匀性等；测试的涂层性能包括，涂层的黏结强度（GB/T 9286-1998色漆和清漆 漆膜的划格试验）、涂层的耐水性（GB/T1733-79）、涂层的耐高温性（GB1735-79漆膜耐热性测定法）、涂层的耐酸性（0.3wt.％硝酸溶液中7.5h、48h、72h的腐蚀失重）、涂层的阴极保护作用（涂层表面划出0.5mm宽、深至基体的切缝，观察中性盐雾试验观察时，涂层生锈的时间）及涂层的电化学测试。

3. 结果与分析

3.1鳞片状锌粉量对涂料性质的影响

不同含量的鳞片状锌粉的涂液在制备时，涂液的粘稠性及涂层的单位面积涂层量和成膜表1 锌粉量不同的涂料性质.

Tab. 1 the performances of coatings with different contents of zinc.

单位面积涂覆涂层中鳞片状锌粉

涂液粘稠性 涂料性质 -含量（％） 量（g·cm2）

很难形成均匀涂膜，涂层表

15 0.0036 过稀

面形貌见图1（a） 可以形成均匀涂层，涂层表

20 0.0331 适中

面形貌见图1（b） 形成的涂层稍有流挂现象，

25 0.0277 适中

涂层表面形貌见图1（c） 形成的涂层稍厚，涂层表面

30 0.0378 稍大

形貌见图1（d）

35 40

过稠 过稠

—— ——

无法形成均匀涂膜 无法形成均匀涂膜

现象如表1所示。形成涂膜的表面形貌见图1，涂膜单位面积涂覆量变化趋势见图2。

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图 1 鳞片状锌粉质量分数分别在(a)15％、(b)20％、(c)25％、(d)30％的涂层表面形貌. Fig. 1 the appearances of coatings with scale zinc in the contents of (a)15%、(b)20%、(c)25% and

(d)30%.

0.0400单位面积涂敷量（g·cm－2）0.03000.02000.01000.000010%15%20%25%30%35%锌粉质量分数(％)

图 2锌粉量不同的涂层的单位面积涂敷量. Fig. 2 the painted content of different zinc coatings.

从鳞片状锌粉含量不同的涂料制备时，涂料的性质差异可以看出，鳞片状锌粉的量影响涂料的粘稠度，鳞片状锌粉含量15%时，涂液过稀，试件单位面积涂覆量仅0.0036 g·cm-2，造成形成涂膜时，锌粉无法完全均匀覆盖试件表面，从而获得的涂膜不完整，势必影响涂层的防腐性能；鳞片状锌粉含量增加到20%-30%时，涂液的黏度较为适合涂覆，试件表面形成覆盖均匀的涂膜，通过测试得到试件表面涂层的单位面积涂覆量在0.0300 g·cm-2左右。当鳞片状锌粉含量继续增加到35%、40%时，涂液未经搅拌，已经粘稠结块，无法涂覆试件形成均匀涂膜。从试件的单位面积涂覆量变化趋势图2可以看出，鳞片状锌粉含量在20%-30%涂层的单位面积涂覆量相对稳定，可以保证涂膜的厚度。

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3.2鳞片状锌粉量对涂层性能的影响

鳞片状锌粉量对涂层黏结力、涂层耐水性和涂层的耐高温性的影响结果见表2。试验结果表明，鳞片状锌粉量在15%时，涂液的颜料量不足，形成的涂层不完整的性能差，耐水试验测试中涂层发生锈蚀；鳞片状锌粉量在20%-30%的涂层粘结性、耐水性及耐高温性良好。但是鳞片状锌粉量过多时，涂层的粘结剂不足以完全包覆颜料，使得涂层粘结性下降，涂层容易开裂脱落。鳞片状锌粉量不同的涂层进行耐酸腐蚀试验，分别于7.5h、48h、72h的质量损失变化趋势及关系见曲线图3。

表2 硅丙乳液含量不同的涂层部分性能.

Tab. 3 the performances of coatings with different contents of scale zinc

鳞片状锌粉质量 涂层黏结 涂层阴极保护作

涂层耐水性 涂层耐高温性

分数(%) 强度等级 用生锈时间（h） 15 --- 6 锈蚀 发黑 20 0 68 完好 完好 25 0 完好 完好 96h完好 30 1 72 完好 完好

0.160.140.120.10.080.060.040.02001020304050607080浸泡时间(h)腐蚀失重(g)片锌15wt.%片锌20wt.%片锌25wt.%片锌30wt.% 图 3 鳞片状锌粉量不同的涂层耐酸性结果. Fig. 3 the performances of coatings in resistance to the acid.

从耐酸性结果可以看出，鳞片状锌粉质量分数在20％的腐蚀失重最小，在整个浸泡期间，腐蚀失重比其他涂层要低0.02g左右，72h失重在0.1g左右；鳞片状锌粉质量分数25％的涂层起初失重较高，随后涂层失重减小，72h后腐蚀失重也在0.12左右；鳞片状锌粉质量分数为15％的涂层，在浸泡期间腐蚀失重低于片锌量25%的涂层失重，72h后涂层失重与20%和25%的涂层相当；鳞片状锌粉量30%的涂层腐蚀失重前期稍低，到后期，腐蚀失重稍微增加，72h后腐蚀失重在0.14左右。单从数据看，鳞片状锌粉质量分数在20%的涂层耐酸性最佳，在15%和25%的涂层耐酸性相当，在30%的涂层耐酸性稍差。可见，并非锌粉量越多，涂层的耐酸越好，锌粉量过低，涂层中耐酸性起主要作用的是改性硅酸盐粘结剂；锌粉量过多，则涂层中粘结剂量不足以完全包覆颜料，涂层容易掉粉，锌裸露首先与酸反应，逐渐消耗完，涂层性能下降。在涂层的阴极保护作用测试中，鳞片状锌粉含量15%的涂层6h就发生锈蚀，25%的涂层96h后涂层完好，30%的涂层72h发生锈蚀。性能测试的结果表明，改性硅酸钾溶液中，鳞片状锌粉量在25%时，涂层综合性能最佳。

鳞片状锌粉量25%的涂层与普通球状无机富锌涂层，进行电化学分析，其结果如图4

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所示。由图可见，鳞片状锌粉涂层的自腐蚀电位没有明显的提高，这是由颜料锌电位决定的；但是鳞片状锌粉涂层的钝化作用比较大，这样就可以起到很好的防腐性。涂层的耐蚀性提高还与鳞片状锌粉涂层的结构有关，鳞片状锌粉在涂层中形成了平行搭接结构，延缓了腐蚀透进基体。鳞片状锌粉涂层的SEM形貌图见图5，从图清晰可见，层状叠加的鳞片状锌粉结构，使得涂层更加致密，延缓了腐蚀介质对涂层基体腐蚀，涂层的耐蚀性提高。

图4 极化曲线对比 图5 鳞片状锌涂层SEM形貌 Fig. 4 the comparisons of polarization curves. Fig.5 The SEM graph of scale

zinc-rich coating.

4. 结论

以硅丙乳液改性的硅酸钾溶液为基料，鳞片状锌粉为颜料的涂层，当鳞片状锌粉的质量分数在25%左右时，涂膜的成膜性能最佳，涂液的粘稠性合适，涂膜单位面积涂覆量在0.027 g·cm2左右；鳞片状锌粉含量过多或过少时，涂层的性能都会下降，鳞片状锌粉含量在25%时，涂层的耐水、耐高性完好，耐酸性阴极保护作用96h后完好，耐酸性腐蚀失重也较小。25%鳞片状锌涂层的极化曲线可以看到明显的钝化现象，SEM形貌可见其平行搭接的结构，证实了鳞片状锌粉涂层耐蚀性好。

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The Effect of The Content of Scale Zinc on The Modified

Inorganic Zinc-Rich Coating

ZHANG Liuyan, JIANG Jinghua, MA Aibin, YANG Donghui

Hohai University, Nanjing 210098

Abstract

This paper studied the effect of scale zinc on inorganic zinc-rich paint mixed with modified base and scale zinc. The results show that the coating in the content of 25mass. % scale zinc has the better wetting ability with the scale zinc. The adhesion, resistance to water & acid & high temperature and cathode pretension of modified coating are also improved, besides its erosion resistance. Therefore, the paint has very good application value.

Keywords: scale zinc, inorganic zinc-rich coating, modified binder

作者简介：张留艳（1983－），女（汉族），江苏沭阳人，在读硕士，主要从事材料表面技术研究。

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