1 什么是低处理表面涂料
低处理表面涂料, 首先要与带锈涂料区别开来。带锈涂料的主要作用是涂覆于残留锈蚀的钢铁表面, 本文所介绍的低处理表面涂料, 不仅可以带锈涂刷, 还可以涂覆于其它种类的旧涂层上面。在英文中, 这类涂料叫做Surface- tolerant Coat ing ,直译过来为表面容忍性涂料, 根据业内习惯, 称之为低处理表面涂料。我们必须理解到底可以容忍的底材表面是处于什么状态, 这是为重要的。比如说, 底材表面可能覆盖有氧化皮、锈蚀、各种成分的旧涂层、水分、盐分或者油污等。这类涂料还可能要求在施工中能够容忍高温、低温、相对湿度以及表面潮气等。在使用低处理表面涂料前, 对于这些因素都要做认真细致的考虑。
低处理表面涂料的使用, 主要针对在不可能完全达到喷砂级别Sa 215 ( ISO 8501- 1: 1988) , 又要达到高级别的防腐蚀保护要求的情况下。另外一个要求就是低处理表面涂料要能够涂覆在不同种类的旧涂层上面而不会产生相容性问题。因此, 在这种情况下的讨论, 低处理表面涂料主要是指那些可以涂覆在手工或动力工具打磨的表面( St2/ St3) , 旧涂层表面和高压水喷射除锈表面的涂料产品。由于低处理表面涂料主要是应用于涂装维修方面, 所以这类涂料产品还必须比其它类的涂料产品更能适应多种气候和施工环境。高压水喷射除锈在涂装维修时已经越来越多地受到了关注, 在船舶维修方面, 高压水喷射除锈有着很多的应用, 并且取得了极大的成功。低处理表面涂料在高压水喷射除锈表面的应用实践表明它是为适合的涂料产品。
2 典型的应用表面
在介绍不同的低处理表面涂料的防腐蚀机理之前, 我们有必要了解低处理表面涂料可能要涂覆的不同表面及其特点。
2.1 打磨处理到St2 和St3 级的表面
在标准ISO 8501- 1: 1988 中所阐述的表面处理标准, 打磨处理的标准为St2 和St3 级。就锈蚀本身来说, 组成成分、厚度、与底材的附着力在各种情况下会有很大的差异。铁锈具有包容性,它会从大气中聚集很多的杂物, 包括水汽、灰尘、盐分、油污和烟灰等。有关铁锈的一些情况见表1和表2。
锈蚀中所包含的这些成分, 有些是肉眼看不见的, 使用手工或动力工具除锈并不能地清除,在除锈过后, 其残留物的水平很可能对涂层还具有不良影响。对于那些严重锈蚀的钢材, 特别是在厚重锈皮下面和蚀坑的底部, 后积聚可溶性盐分等具有危险性的杂质。这种情况下, 使用高压水除锈是比较好的方法。不过, 高压水除锈对于复杂钢结构的干燥和在冬天低温下也有其操作上的局限性。
钢材表面上的锈蚀无论附着牢固与否, 涂料覆盖上去后, 很多情况下都会发生问题。在手工处理到St2 级的表面, 使用高固体分低溶剂环氧涂料施工时, 由于使用的是刷涂, 又是在冬季低温, 那么工人会加入大量稀释剂以增加刷涂的可操作性。在这种情况下, 原本可以用厚浆型环氧涂料将锈包容住的效果, 就会被加入的大量稀释剂所破坏了, 稀释剂会渗透进铁锈从而减弱其附着力。视其涂层厚度, 通常在( 3~ 6) 个月内涂层就可能发生剥落和钢材返锈等问题。在对打磨到St2/ St3 级的钢材表面, 使用低处理表面涂料时, 永远要记得是涂料渗透进铁锈, 将它包容才会产生良好的效果, 而不是稀释剂。刷涂和无气喷涂是好的施工方法, 而辊涂是不适于道漆的维修使用的, 因为它不像刷涂和无气喷涂那样良好的渗透性, 而不能将残锈有效地润湿渗透。
使用旋转钢丝刷打磨时, 很容易对表面产生抛光作用, 在这种的光滑表面上涂漆, 总不如在粗糙表面那样对涂层有良好的附着力。但是, 在ISO8501- 1: 1988 中St2/ St3 并没有说明粗糙度的问题。在美国的SSPC 标准中, SP11 是专门针对打磨粗糙度问题的, SP11 打磨到裸露的金属表面须具有一定的粗糙度( Rz 25um 以下) 。
2.2 旧涂层表面
维修涂装时, 很多情况下新的涂层必须覆盖在旧涂层表面。这时需要考虑两个问题, 旧涂层的附着力和旧涂层的性质, 如成分和特性等。旧涂层的附着力测试主要有拉开法( ISO 4624)、划格法( ISO 2409, ASTM 3359- 95a)、划X 法( ISO2409, ASTM 3359- 95a) 。
旧涂层的成分, 即主要类别及其相应的特性,对于低处理表面涂料的覆涂也有重要的影响。我们需要知道旧涂层的成膜物质( 树脂) , 是化学固化还是物理干燥, 热塑性还是热固性, 粉化程度及其强度等等。旧涂层和新涂层系统的化学性能必须进行测试以确定是否相容。新旧涂层的兼容性主要通过低处理表面涂料的溶剂和树脂对旧涂层的是否有剧烈反应来判断。还有的问题就是在旧涂层上进行覆涂会使得终涂层显得非常厚。因此, 需要对新覆涂的涂层进行有效的膜厚控制, 终的总膜厚需要减去原有旧涂层的厚度。低处理表面涂料应该对各种旧涂层有着很好的兼容性, 包括溶剂型和水性涂料。是否真的与旧涂层相容, 可以先进行小块试验来确定。
2.3 高压水喷射除锈表面
高压水喷射除锈(Water jetting) 在重防腐方面虽然还没有十分普遍, 但是在表面处理方面的地位越来越重要。20 世纪80 年代高压水喷射除锈开始进行研究和应用。许多涂料公司开发了相应的低处理表面涂料适应于高压水喷射除锈的表面。到现在为止, 已经有很多的文件和标准来阐述低处理表面涂料和高压水喷射除锈方面的技术。现代的高压水喷射除锈是采用的超高压水力喷射UHPWJ ( Ultra High- pressure Waterjet ting) 设备, 它所能达到的表面清理清洁度和生产率与开放式喷砂相似, UHPWJ 所产生的压力在170MPa 以上, 通常为250MPa 左右。高压水喷射除锈的优点和缺陷见表3。
3 低处理表面涂料的类型
3.1 低处理表面涂料的基本要求
低处理表面涂料必须符合以下基本要求: 良好的渗透力和附着力; 缓蚀性能; 对旧涂层较小的影响; 足够的柔韧性; 可以容忍较差的气候条件。新涂层必须对残锈、具有微孔和毛细孔的旧涂层等表面具有很好的渗透力。也就是说, 涂层中必须有一部分树脂基料可以有效地渗透进这些材质。涂料必须含有低分子量的树脂, 以及相当的干燥时间, 来保证足够的渗透行为。为了保证这个渗透时间, 除了树脂本身的干燥特性外, 在颜料的选用中, 可以采用叶展型铝粉和云母氧化铁等。缓蚀性能主要是依靠涂料配方中的磷酸盐、铬酸盐、氧化锌和红丹等防锈颜料来获得的。涂料配方中采用中性的溶剂, 高固体分少溶剂和无溶剂涂料, 选用合适的树脂等, 都可以有效地减轻新涂层对旧涂层不良影响( 如咬底、起皱等) ,从而增加两者间的相容性能。涂层的柔韧性是非常重要的指标, 它可以容忍新旧涂层间的膨胀系数, 并且增加了抵抗涂膜开裂的性能。选用合适的树脂和适当的交联度以及使用叶展型颜料等, 可以使涂膜获得有效的柔韧性。低处理表面涂料通常是在野外施工的, 并非在具有良好温湿度控制的车间内进行。因此这类涂料须具有低温施工性能, 能够容忍一定的相对湿度,甚至是底材上和施工完后的漆面的露水微凝。
3.2 传统涂料系统
在传统涂料系统中, 亚麻油红丹漆的防锈效果证明比其它无论是采用了红丹或磷酸锌颜料的合成树脂涂料要好。尽管亚麻油红丹漆干燥较慢, 但是它的渗透润湿作用非常好, 能容忍低表面处理的钢材, 机理是亚麻油红丹生成的铅皂起到了缓蚀作用。长油度醇酸红丹漆与亚麻油红丹漆相比, 提高了干燥性能和硬度, 使用较为广泛。但是长油度醇酸树脂不耐水和化学品, 因此不能用于水下环境和化学环境。具有良好耐蚀性能的红丹由于它的毒性, 很多国家已限制使用。取代红丹的防锈颜料是磷酸锌,因此, 醇酸磷酸锌防锈底漆是具有一定前途的产品。短油度醇酸树脂磷酸锌底漆, 采用低挥发性的芳香族溶剂, 加入60% 的磷酸锌颜料, PVC 为40% , 该涂料不仅可以用于手工除锈St2 的表面。醇酸磷酸锌底漆在试验中的效果要强于那些为了降低成本而降低红丹用量的所谓改性红丹底漆。
3.3 湿固化聚氨酯涂料
湿固化聚氨酯涂料在固化的时候, 能与旧涂层表面或锈蚀中的湿汽进行反应, 能够在相对湿度95% ~ 98%的情况下, 以及0ºc 以下的低温环境下固化。这种涂料产品在施工完后就能耐受表面凝露。湿固化聚氨酯涂料通常是单组分产品, 这样就避免了双组分产品那样可能的混合错误产生。目前大多数的湿固化聚氨酯涂料采用的都是MDI 或高分子量TDI 预聚物, 因此它的体积固体分被限制在50% ~ 60%, 并且生产过程中对湿气的控制比较严格。底漆系统要求粘度较低以便有良好的渗透性,漆膜也较薄, 为( 30~ 40) um。铝粉是底漆系统中好的防锈颜料, 但是使用云铁和锌粉颜料的湿固化聚氨酯涂料在手工处理或者高压水除锈钢材表面也获得了很好的防锈效果。湿固化聚氨酯涂料与低表面处理环氧涂料, 涂覆在经手工处理的锈蚀钢材表面, 在工业环境中暴露4 年后发现, 湿固化聚氨酯涂料的整体附着力要强, 而低处理表面环氧涂料涂膜下有锈蚀。
3.4 改性环氧涂料
3.4 改性环氧涂料
改性环氧涂料被认为是低处理表面涂料中性能好的涂料品种。目前市场上广泛使用的有以下几种: 焦油环氧涂料、碳氢树脂改性环氧树脂涂料、内部增塑环氧树脂涂料和改性酚醛胺固化环氧树脂
涂料。焦油环氧涂料被认为可以涂刷于打磨处理的钢材表面, 因为焦油有着很好的渗透性而环氧树脂涂料又有着很强的附着力。碳氢树脂改性的环氧树脂涂料由于低分子树脂的作用, 具有卓越的表面润湿性和表面渗透力, 因此带来了优良的表面附着力和优异的耐久性。它采用的是外部增塑的技术路线。这类涂料作为低处理表面涂料, 可以涂覆于St2 的表面, 并能用于高压水除锈后具有一定的闪锈的表面。这类涂料的体积固体分含量可高达80% ~ 100% , 降低了VOC, 被称为Mastic 环氧涂料, 目前已经成为了维修涂装时的涂料产品。Mast ic 环氧涂料可以在一次喷涂时得到很高的干膜厚度( 100~ 400) um, 节省涂装时间, 减少涂装费用。在维修旧漆膜时很方便, 可以在醇酸和环氧等涂料上面覆涂, 对于热塑性的氯化橡胶涂料, 则要严格控制旧涂层厚度, 并且如果以后涂层有破损, 该处将会是涂层系统中一个薄弱点。
改性液态环氧树脂涂料, 使用内部增塑交联的环氧树脂和铝粉颜料, 固化剂采用芳香胺的DDM( 4, 4- 二胺基二苯基甲烷) , 是低处理表面涂料中的重要品种。与纯环氧涂料和碳氢树脂改性环氧涂料相比, 它的柔韧性相当好。在长期重涂性方面,它也要强于碳氢树脂改性环氧涂料。因为碳氢树脂改性涂料采用胺固化剂在低温高湿或通风不良的情况下, 有着胺起霜的问题, 会影响与后道涂层的附
着力。
在暴露于外部环境6 个月的氯化橡胶涂料加上用醇酸面漆涂覆一半面积的试样, 分别用内部增塑环氧树脂涂料和碳氢树脂改性环氧涂料覆涂, 经过5 天的循环测试( 52ºc / 8h, 20ºc / 16h) 和2 天的浸水试验, 结果表明( 2~ 13) 个循环后碳氢树脂改性环氧涂料就开始出现漆膜缺陷, 而内部增塑环氧涂料在20 个循环后还没有出现问题。这说明使用内部增塑性环氧涂料可以涂覆于醇酸树脂涂料,特别是氯化橡胶类涂料表面, 而不会引起明显的开裂, 多年来的实践也证明了这一点。经喷砂处理后分别涂上内部增塑环氧涂料和碳氢树脂改性环氧涂料, 在长达18 个月的沿海环境暴露后, 碳氢树脂改性环氧涂料所表现出来的耐蚀性能要好得多。这意味着在实际使用中, 可以把碳氢树脂改性环氧涂料作为大气环境和浸水环境下的通用型涂料来使用。
在暴露于外部环境6 个月的氯化橡胶涂料加上用醇酸面漆涂覆一半面积的试样, 分别用内部增塑环氧树脂涂料和碳氢树脂改性环氧涂料覆涂, 经过5 天的循环测试( 52ºc / 8h, 20ºc / 16h) 和2 天的浸水试验, 结果表明( 2~ 13) 个循环后碳氢树脂改性环氧涂料就开始出现漆膜缺陷, 而内部增塑环氧涂料在20 个循环后还没有出现问题。这说明使用内部增塑性环氧涂料可以涂覆于醇酸树脂涂料,特别是氯化橡胶类涂料表面, 而不会引起明显的开裂, 多年来的实践也证明了这一点。经喷砂处理后分别涂上内部增塑环氧涂料和碳氢树脂改性环氧涂料, 在长达18 个月的沿海环境暴露后, 碳氢树脂改性环氧涂料所表现出来的耐蚀性能要好得多。这意味着在实际使用中, 可以把碳氢树脂改性环氧涂料作为大气环境和浸水环境下的通用型涂料来使用。
4 结 语
高性能低处理表面涂料主要应用在工业防腐蚀的维修涂装方面, 包括桥梁、海上石油平台、石化厂等等。它使用在不可能进行高等级的表面处理,比如不能喷砂到Sa2.5, 而只能进行打磨St2/ 3 级的情况下, 仍然能够使涂料系统获得较高的防腐蚀效果。对于新发展的高压水除锈技术, 也是好的适应性涂料。从环保意义上来讲, 高性能低处理表面涂料不仅避免了喷砂等容易造成环境危害的作业手段, 而且在涂料的配方设计方面, VOC 含量也大大降低,特别是改性环氧涂料的体积固体分在80% 以上,VOC 降低到了200g/ L 左右, 甚至更低。
