鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀的研制與應(yīng)用

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摘要：介紹了鋅基重防腐粉末涂料的研制與應(yīng)用，選用鱗片狀鋅粉、重防腐環(huán)氧樹脂、配套固化劑和各種助劑加工而成，該類重防腐粉末涂料具有長遠(yuǎn)的推廣應(yīng)用前景。

1 引言

鋅粉是重要的電化學(xué)防銹材料，由于鋅具有良好的電化學(xué)活性，當(dāng)同鐵放在一起受到腐蝕時(shí)，能自我犧牲陽極保護(hù)含鐵金屬材料；另外，鋅可與腐蝕介質(zhì)作用生成許多腐蝕產(chǎn)物[主要是堿式碳酸鋅等2ZnCO3·3Zn(OH)2 ] ，這些微堿性產(chǎn)物填塞了涂層間隙或破損處，有效阻擋和屏蔽腐蝕因子的透過，并能在一定程度上實(shí)現(xiàn)自愈合。正因如此，用大量鋅粉配制成的鋅基涂料（也稱富鋅涂料）成為保護(hù)鋼鐵最普遍、最重要的底涂材料。

根據(jù)涂料成膜物質(zhì)的不同，鋅基涂料分為有機(jī)鋅基涂料和無機(jī)鋅基涂料兩大類，無機(jī)鋅基涂料以無機(jī)聚合物（如硅酸鹽、磷酸鹽等）為成膜物質(zhì)，鋅粉與之反應(yīng)，在金屬表面形成鋅鐵絡(luò)合物，最終形成堅(jiān)實(shí)的防護(hù)涂層；有機(jī)鋅基涂料則以合成樹脂（如環(huán)氧、聚酯、丙烯酸等）為成膜物質(zhì)，加入高含量鋅粉而成的液體防腐涂料。鋅基涂料自20世紀(jì)40年代以來，得到了廣泛的推廣應(yīng)用并取得了良好的防蝕效果。

常規(guī)的鋅基涂料對(duì)含鋅量有明確的要求，無機(jī)類要求鋅占干膜質(zhì)量的74%以上，有機(jī)類要求鋅占干膜質(zhì)量的77%以上，雖然國際鉛鋅組織（ILZRO）的研究報(bào)告表明鋅粉含量的多少與涂層的防蝕性并無直接關(guān)系，某些含鋅量高的防蝕性并不好，某些含鋅量低的防蝕性并不差，不能單純以鋅粉含量來評(píng)判鋅基涂料的優(yōu)劣，但人們習(xí)慣上還是以含鋅量的多少來選擇使

用鋅基涂料。由于有機(jī)涂料使用鋅粉受臨界體積濃度（CPVC）的限制，難以含有大量的鋅粉而又要求涂層有良好的物理機(jī)械性能，結(jié)果有機(jī)鋅基涂料的應(yīng)用遠(yuǎn)不及無機(jī)鋅基涂料來得廣泛，而20世紀(jì)中期發(fā)展迅猛的粉末涂料更是無法單純利用鋅粉來開發(fā)新一代的重防腐粉末涂料。

20世紀(jì)末，德國愛卡（Eckave-Werke）公司開發(fā)了一種全新的鋅粉產(chǎn)品——鱗片狀鋅粉，取代了鋅基涂料中使用的普通鋅粉——球形鋅粉。鱗片狀鋅粉具有優(yōu)良的屏蔽性能、平行搭接性能、電接觸性能和易懸浮的特性，使得鱗片狀鋅基涂料在顯著降低干膜含鋅量的情況下，涂層的防腐性能仍優(yōu)于普通球鋅的鋅基涂料，以此理論為基礎(chǔ)，對(duì)鋅基重防腐粉末涂料進(jìn)行了試驗(yàn)研制并加以推廣應(yīng)用。

2 鋅基重防腐粉末涂料涂層的防蝕機(jī)理

2.1 電化學(xué)保護(hù)

鋅基重防腐粉末涂層的電化學(xué)保護(hù)機(jī)理與鍍鋅、熱浸鋅、鋅基涂層、鋅鉻涂層（Dacro)）一樣，都是采用犧牲鋅來達(dá)到保護(hù)鋼鐵基體的目的。

陰極區(qū)：Zn→Zn2++2e（電勢(shì)：-0.762V）（1）

陽極區(qū)：Fe2++2e→Fe（電勢(shì)：-0.440V）（2）

由式（1）、式（2）可見，鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（25℃）比鐵低，故鋅比鐵活潑，當(dāng)腐蝕介質(zhì)滲透過涂層達(dá)到鋼鐵基體表面時(shí)（或者當(dāng)涂層破損露出鋼鐵基體，而裸露處又被腐蝕介質(zhì)覆蓋時(shí)），由于水的存在鱗片狀鋅粉和鋼鐵基體之間形成一個(gè)以鋅片為陽極、鋼鐵基體為陰極的電池，鋅逐漸腐蝕而鋼鐵基體得到了保護(hù)。

由于粉末涂料限制了鱗片狀鋅粉的用量，鋅基重防腐粉末涂料中填加了穩(wěn)定的導(dǎo)電材料——磷鐵粉（Fe2P），使涂層內(nèi)形成導(dǎo)電通路，而且鱗片狀鋅粉之間平行搭接的接觸面也具有良好的導(dǎo)通性，這些都保證了鋅片的陰極保護(hù)效率。

2.2 屏蔽保護(hù)

腐蝕性介質(zhì)在含有鱗片狀鋅粉的涂層中擴(kuò)散的公式為：

式中：Q——單位面積上腐蝕介質(zhì)的總量；

X——腐蝕性介質(zhì)在涂層中的滲透距離；

t——腐蝕性介質(zhì)在涂層中的滲透時(shí)間；

D——該介質(zhì)在涂層中的擴(kuò)散系數(shù)，定值；

C（X，t）——某時(shí)間、某距離上腐蝕介質(zhì)的濃度。

若腐蝕性介質(zhì)在金屬基體上的濃度C達(dá)到臨界值C0時(shí)，金屬發(fā)生銹蝕，此時(shí)式（3）只有擴(kuò)散時(shí)間t與滲透距離X2個(gè)變量。達(dá)到滲透平衡臨界值C0所需的擴(kuò)散時(shí)間t近似正比于擴(kuò)散距離的平方（X2），即增加滲透距離X可以顯著延長腐蝕介質(zhì)滲透所需的時(shí)間。

由于加入鱗片狀鋅粉，涂層中鋅片形成平行搭接、交疊排列成如圖1所示的體系（圖2為涂層結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像），減少了涂層的孔隙度，腐蝕介質(zhì)也不能通過鱗片滲透，必須繞過鱗片，沿著鱗片徑滲入，所以滲透距離x顯著增加，腐蝕性介質(zhì)到達(dá)金屬基體的時(shí)間顯著延長。

腐蝕介質(zhì)在滲透過程中，接觸鋅片后產(chǎn)生各類腐蝕產(chǎn)物，如ZnO、Zn(OH)2、Zn(OH)2CO3、Zn(OH)Cl3、ZnOCl、ZnSO4等，造成鋅片腐蝕部位體積膨脹，填塞了涂層中的孔隙，同時(shí)也增加了涂層的致密度，消耗部分腐蝕介質(zhì)，從而更有效地保護(hù)了鋼鐵基體。

2.3 涂層自修復(fù)保護(hù)

當(dāng)鋅基涂層受外力作用造成局部破損后，在一定范圍的面積內(nèi)，保護(hù)電流能流向鋼鐵基體裸露的部位，鋅的腐蝕產(chǎn)物可積累在那里形成一層保護(hù)膜。但當(dāng)破損范圍擴(kuò)大或保護(hù)電流減弱時(shí)，這種修復(fù)保護(hù)作用將逐漸減小，破損處的鋼鐵基體將發(fā)生腐蝕，必須進(jìn)行局部修補(bǔ)。

3 試驗(yàn)部分

3.1 基料選擇

根據(jù)涂層的使用特點(diǎn)和應(yīng)用要求，采用中等相對(duì)分子質(zhì)量的雙酚A型環(huán)氧樹脂、酚醛環(huán)氧樹脂與酚類固化劑組成基料系統(tǒng)，該系統(tǒng)中酚醛環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中有多個(gè)環(huán)氧基，固化產(chǎn)物的交聯(lián)密度和芳環(huán)密度都比較高，與雙酚A型環(huán)氧樹脂搭配使用，涂層的硬度、耐熱性、耐磨性、耐化學(xué)腐蝕性及對(duì)基材的附著力都比較好。

3.2 鱗片狀鋅粉的選擇

雖然目前國內(nèi)已有多家企業(yè)生產(chǎn)鱗片狀鋅粉，但經(jīng)測(cè)試對(duì)比，國產(chǎn)的鋅片從顆粒形狀、粒徑、色澤以及包覆質(zhì)量等指標(biāo)上都與國外廠家的產(chǎn)品有較大距離，雖然價(jià)格明顯偏低（如國產(chǎn)鱗片狀鋅粉3.2萬元/t，而愛卡產(chǎn)品6.8萬元/t），還是選用了愛卡GTT片狀鋅粉產(chǎn)品。另外還添加了適量的片狀鋁粉或其他片狀金屬粉，對(duì)鱗片狀鋅粉產(chǎn)生抑制淘析作用，進(jìn)一步延長了鋅片的陰極保護(hù)作用。

3.3 助劑的選擇

為提高涂層的機(jī)械性能，增加涂層內(nèi)的導(dǎo)電通路，實(shí)現(xiàn)重防腐效果，除使用常規(guī)的流平劑、增韌劑、固化促進(jìn)劑外，還針對(duì)鋅基重防腐粉末涂料的特性使用了脫氣劑、粉體流動(dòng)劑、增電劑，并在配方中加入穩(wěn)定的導(dǎo)電顏料——磷鐵粉(Fe2P)，在涂層內(nèi)形成導(dǎo)電通路，提高鋅片的陰極保護(hù)效率。

3.4 制造方法

目前鋅基重防腐粉末涂料主要有2種制造方法，一種是在傳統(tǒng)粉末涂料生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)的擠出制造工藝，一種是采用干混技術(shù)（也稱邦定技術(shù)）的干混制造工藝。這2種方法制造出的粉末涂料產(chǎn)品的掃描電鏡照片見圖3。

改進(jìn)的擠出工藝與正常粉末生產(chǎn)流程相似，但加強(qiáng)了原材料預(yù)混強(qiáng)度、延長了物料的熔融捏合時(shí)間。該工藝容易控制粉體粒度，粉體施工性能好，涂層具有良好的附著力及優(yōu)良的機(jī)械性能。不足之處是鋅片表面有一定的氧化，鋅片表面基料黏附較多，搭接稍差，需要添加導(dǎo)電助劑。

干混生產(chǎn)是將粉末基料及助劑按常規(guī)粉末生產(chǎn)工藝加工成粉末后，在干混設(shè)備中將基料與鱗片狀鋅粉及相關(guān)助劑混合加熱，控制在一定溫度讓基料粒子與鋅片黏結(jié)后，冷卻至常溫即可。該方法克服了擠出工藝中鋅片表面的氧化現(xiàn)象，鋅片表面黏附少量基料，鋅片搭接效果較好。存在的問題是工藝復(fù)雜，粉末必須再進(jìn)行粉體處理；鋅片表面未得到有效抑制，極易氧化，迅速失去陰極保護(hù)作用；其涂層的附著力也較差。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 鋅基重防腐粉末涂料的性能

2種方法制造的鋅基重防腐粉末涂料的性能比較見表1。

4.2 鋅基重防腐粉末涂料涂層耐鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

用不同方法生產(chǎn)的鋅基重防腐粉末涂料制成不同厚度的試板，進(jìn)行涂層劃痕中性鹽霧試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

由鹽霧試驗(yàn)的結(jié)果可以看到，涂層厚度與涂層的防腐蝕能力密切相關(guān)，鋅基涂層必須達(dá)到一一定的厚度才能具有超強(qiáng)的抗蝕能力。2種方法生產(chǎn)的產(chǎn)品都具有優(yōu)異的防腐效果。

5 產(chǎn)品在高速公路護(hù)欄上的應(yīng)用

國內(nèi)鋅基重防腐粉末涂料除在戶內(nèi)金屬防腐涂裝上應(yīng)用外，在戶外惡劣腐蝕環(huán)境下應(yīng)用最早的是在貴州高速公路護(hù)欄上。貴州地處云貴高原的東斜坡，山地和丘陵面積占全省總面積的92.5%，貴州屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，年降水量1100~1300mm，由于貴州省的企業(yè)（有300多萬煤爐）和家庭（飲食、烘烤食物）直接使用燃煤，廢氣未經(jīng)處理直接排放到空氣中，長期存在著酸雨污染，雨水的pH平均在4~5；部分污染嚴(yán)重的地區(qū)雨水的pH可達(dá)到3，全省酸雨率為80%左右，較適合檢測(cè)該涂層的耐腐蝕能力。2004年開始在安徽、河南等部分路段進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。

試驗(yàn)用高速公路護(hù)欄的涂裝工藝為：①拋丸：采用0.2mm的鋼丸噴，并對(duì)護(hù)欄基材的棱角進(jìn)行打磨處理；②底涂：工件上線，靜電噴涂鋅基重防腐粉末涂料，厚度55~65μm，200℃，10min固化；③面涂：噴涂純聚酯粉末涂料，厚度不小于76μm，220℃，10min固化；④包裝：工件冷卻下線后，按加工要求進(jìn)行包裝、轉(zhuǎn)運(yùn)，安裝在試驗(yàn)段上。

5.1 應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果

從2001年3月開始，在貴州省多條路段上進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，并與熱鍍鋅噴塑護(hù)欄產(chǎn)品（鍍鋅層含鋅量為270g/m2，噴塑層厚度不小于76μm）進(jìn)行了耐腐蝕對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

5.2 存在問題

已進(jìn)行了5a的雙涂層護(hù)欄應(yīng)用試驗(yàn)表明，鋅基重防腐粉末涂料與純聚酯粉末涂料形成的雙涂層防護(hù)體系，具有突出的抗腐蝕能力，完全滿足國家和交通行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。目前存在的主要問題是，涂層受外力破壞露出鋼鐵基材后，裸露的金屬表面會(huì)很快銹蝕，雖然在鋅片的陰極保護(hù)作用下銹蝕漫延速率很慢，但產(chǎn)品外觀裝飾效果已受到嚴(yán)重影響。

5.3 改進(jìn)措施

由于護(hù)欄產(chǎn)品在運(yùn)輸、裝卸、安裝過程中極易受到意外的撞擊而造成涂層的破損，除通過改進(jìn)包裝、加強(qiáng)運(yùn)輸、安裝過程中的管理外，還對(duì)護(hù)欄產(chǎn)品易受撞擊損傷的棱邊進(jìn)行了熱噴鋅處理，取得了良好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)語

利用鱗片狀鋅粉研制的鋅基重防腐粉末涂料涂層具有突出的耐腐蝕能力，經(jīng)過5a多的實(shí)際應(yīng)用，防腐效果優(yōu)異，該產(chǎn)品的雙涂工藝在一定范圍內(nèi)完全可以取代熱鍍鋅，避免了鍍鋅工藝產(chǎn)生的嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，具有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。

文/晁兵，陸東方，鹿存才

徐州正菱涂裝有限公司

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