D03水性无机富锌底漆的原理和应用

阮江雷

前言

水性无机富锌底漆，是一种以高模数硅酸盐水溶液为粘结剂，以超细高活性锌粉作为主要防锈颜料的双组份水性常温固化防腐涂料。其中的硅酸盐水溶液，主要指硅酸钠，硅酸钾，硅酸锂等，通常的化学表达式为M₂·mSiO₂·nH₂O。其中M为Na⁺、K⁺、Li⁺等，m、n为M₂O，SiO₂、H₂O三个组成成分的摩尔数。硅酸盐水溶液中，大多数是与二价硅酸盐离子HSi₂O^5-、Si₂O₅^2-，以及聚硅酸盐离子有关的硅酸盐分子和离子化合物Si(OH)₄，HSiO^3-、SiO₃^2-。

一、附着机理和成膜原理

水性无机富锌底漆的反应机理如图1所示，硅酸盐水溶液中的活性硅酸与漆膜中的活性锌粉和喷砂钢结构表面的活性铁原子发生化学反应，形成一种Zn-SiO₄^2--Fe的络合结构，漆膜通过化学键附着在钢结构表面，具有极佳的附着力。即使磕碰后，漆膜也不会大面积翘皮或脱开，而只是磕碰处出现凹坑，凹坑处上面也有漆膜保护基层不易生锈。

图1 水性无机富锌底漆的反应机理示意图

水性无机富锌底漆的漆膜在干燥过程中，锌粉和钢基层通过硅酸盐结构连接起来，形成了一个整体，如图2所示。当涂料涂到钢结构基材表面时，锌粉颗粒之间，钢基材与锌粉之间都保持金属的直接接触，通过硅氧键与锌粉和基材的反应，使漆膜与基材能够紧密结合。在此状态下，如果水分侵入漆膜内部，就形成了一个由锌粉和铁组成的电池，由于锌的电位比铁低，锌粉作为阳极保护了作为阴极的铁，使钢结构基材不会生锈，锌粉在此过程中会生锈，产生白锈，即所谓阴极保护作用，如图3所示。

图2 水性无机富锌底漆成膜示意图

图3 水性无机富锌底漆的阴极保护实验

漆膜实干（常温2小时）后，漆膜中的锌粉就会继续与空气中的H₂O，CO₂，O₂，SO₂以及其他物质发生化学反应，即所谓的后固化，后固化过程会生成如氧化锌，氢氧化锌，碱式碳酸锌锌，硫酸锌等腐蚀产物。后固化过程持续时间很长，随着反应过程的持续，这些腐蚀产物逐渐堆积在漆膜里锌粉之间的间隙里，提高了漆膜的致密性和内聚强度，增强了漆膜的抗渗屏蔽性能。同时，腐蚀填充物也会降低漆膜的电导率，使电化学反应的电流强度降低，从而锌粉的消耗速率会大大降低，因而漆膜的耐久性极大增强。这个反应过程，持续时间通常几周到几个月，甚至更长的时间。

二、油漆特性

水性无机富锌底漆有以下一些特性：

1. 零VOC

水性无机富锌底漆的配方中不含有任何有机成分，不含有任何溶剂，是完全纯粹的水性涂料，VOC含量为零。施工过程中没有易燃易爆的危险，工人只需要佩戴防尘口罩即可保证健康，直接用清水稀释和清洗设备，清洗后的水，只有弱碱性，可以做简单沉淀后直排，对环境无害。国家正在推广涂料水性化战略，水性无机富锌底漆的环保性和施工安全性，是其最大的特色。

2. 超长耐久性

水性无机富锌底漆喷涂后会形成一道纯无机涂层，因此完全不受阳光、紫外线、雨、露、细菌、藻类或温度等因素的影响，即使经过多年的风吹日晒，也不会老化变质，厚度也不会减薄。而且暴露时间越长，漆膜因后后固化程度加深，致密性会越来越高，漆膜与基层的附着力（内聚力）的测试结果比初始时高很多。

去年测试了一些户外放置了多年的样板，用易高108附着力测试漆膜的附着力，几乎都在15MPa以上，破坏形式以胶黏剂破坏为主，如图4所示。用砂纸打磨漆膜表面，里面露出锃亮的金属光泽。

图4 露天放置多年的水性无机富锌底漆试板的附着力测试

3. 耐高温

水性无机富锌底漆在未涂面漆的情况下，长期耐热温度高达400℃。锌粉的熔点在419.6℃，但漆膜在超过该温度时，锌粉并不会融化，因为锌粉比无机硅酸盐结构固定了，因此锌粉颗粒软化时并不能流动，加热到1200℃以上都不受影响。只是在超过400度以上的高温环境下，单层的水性无机富锌底漆漆膜的氧化和碳化速率会大大加快，锌粉损耗会加快。如果在底漆表面涂覆1～2道耐温600度的有机硅铝粉漆，隔绝无机富锌涂层与空气接触，涂层的长期耐温可达540度。

另外，水性无机富锌底漆抗冷热冲击性非常好，骤冷骤热多次，漆膜均无明显变化。比如用喷灯将喷涂水性无机富锌底漆的试板烧红，然后将其投入冷水中，取出试板继续循环测试多次，漆膜均无明显变化。

4. 阴极保护性

从前面的成膜机理可以发现，水性无机富锌底漆的阴极保护性是极其优异的。实验表明，水性无机富锌底漆按照美国军DOD-P-24648，该标准主要适用于暴露在海面、高湿、海水及大气环境中的钢结构外表面的含锌底漆，其中，阴极保护性能规定时间为30天。将带有裸露金属的试板浸入3%的中性盐水中，1/3的试板在液面以上。在整个试验过程中通过添加蒸馏水来保证液面高度恒定。如图5所示，经过一个月的浸泡实验，水性无机富锌底漆试板表面裸露部分未发生锈蚀，后续实验持续进行了一年多，三块试板中的两块在一年后，裸露部分也未发生锈蚀，说明了其阴极保护作用及其优异。

图5 水性无机富锌底漆的阴极保护实验试板

跟同样具有阴极保护作用的金属锌涂层（电镀锌，热浸镀锌等）相比，水性无机富锌底漆还有其特点。水性无机富锌涂层里的锌粉是被无机硅酸盐粘结剂包围和分割的，这样就减弱了他的化学反应和导电能力。实验表明，无机富锌和金属锌层的阴极保护电位相同，但是无机富锌的电流强度明显低于金属锌层，这表明金属锌层比无机富锌具有更高的化学活性，所以会消耗更快。

5. 导静电

水性无机富锌底漆的漆膜电导率一般在10-5～10-7之间，可导静电，所以非常适合用于中性溶剂储罐内壁，不仅防腐性能优异，而且能导静电，满足对储罐安全性的要求。

6. 耐溶剂性

水性无机富锌涂层是完全的无机物，因此，即使是溶解性很强的有机物，如芳香烃，酮类，脂类，烃的氯化物等有机溶剂也不回将其溶解。他们也不受汽柴油，润滑油，航空煤油和其他石油产品的影响。因此长期暴露于上述化学物质的环境中，完全可以使用水性无机富锌涂料。

7. 耐火

水性无机富锌涂层属于无机物，不会燃烧，即使暴露在火焰中也不会燃烧。涂有水性无机富锌底漆的钢板在用氧炔焰切割时，漆膜也不会燃烧，如图6所示。

图6 水性无机富锌底试板切割后的状态

图7 水性无机富锌底漆试板的焊接实验

8. 焊接性

国外做过了水性无机富锌涂层对焊接和焊接工人影响的实验，证实无机锌涂层能被焊接而对基体没有强度的减小，不论对于施工前的底漆，还是整个厚度（75微米）的无机锌涂层和没有涂层是的焊接是一样的。图7涂有水性无机富锌底漆的试板进行焊接试验后的照片，图中可以看出，焊接对附近的漆膜几乎没有影响。

9. 耐磨损性

水性无机富锌底漆的铅笔硬度可达到5H以上，另外由于漆膜与基材是化学键结合，附着力非常好，因此喷涂水性无机富锌底漆的构件磕碰后，会出现凹坑，而漆膜不会剥落。

三、应用前景

水性无机富锌底漆的诸多优点，使其在很多领域具有很好的应用前景。

1. 水性重防腐涂料体系的底漆或者作为单一防腐涂层使用

目前国家都在大力推广水性漆，高固体份涂料和无溶剂涂料等环保性防腐涂料。在重防腐涂料领域来说，水性无机富锌底漆是最成熟的水性防锈底漆，水性环氧底漆，水性聚氨酯漆目前都不太成熟，而且成本较高，施工要求更高，对环境的要求也非常好。因此，比较现实的水性化策略，就是以水性无机富锌底漆作为重防腐体系的底漆，配套环保性较好的高固体份或者无溶剂环氧漆和聚氨酯漆，或聚硅氧烷涂料，这样的配套体系，VOC排放少，防腐性能优异，漆膜防护寿命长，目前在对环保性和防腐寿命均有很好要求的场合，应该有不错的应用前景。

2. 耐高温底漆

水性无机富锌底漆是纯无机结构，所以耐温性特别好，这是因为锌粉的熔点偏低，导致其耐温性受到限制。如果配套耐高温有机硅铝粉漆，水性无机富锌底漆可长期用于200～540℃范围的钢结构耐高温底漆。另外，由于水性无机富锌底漆短时耐热温度可到1200℃以上，可以用于火箭发射架等场合。

3. 不去除的车间底漆

水性无机富锌底漆短时耐温超过1200℃，耐火，耐磨损，可焊接，不怕磕碰，而且是纯水性涂料，所以完全可以用作钢结构的车间底漆。涂有水性无机富锌底漆的钢板经过搬运、切割、焊接，火工矫正等工艺步骤后，钢板表面的漆膜跟其他有机车间底漆相比，破损程度小很多，所以完全可以不用打掉，只需要经过简单的清理打磨，就可以涂覆下道涂料。这样的工艺，可以省去一道二次喷砂程序，同时节省一道富锌底漆，真正节能降耗，提高效率，也有利于保证钢结构的防腐质量。

4. 溶剂储罐内壁

水性无机富锌底漆不仅耐溶剂性强，而且漆膜导静电，其电导率在10-6上下，所以可以用于除了甲醇，甲醛等溶剂之外的大部分中性溶剂储罐，也可用于各种石油制品如汽柴油，脂肪烃制品储罐，以及氢气罐、氧气罐的内壁。水性无机富锌底漆不近可以作为单层使用，也可以作为复合导静电防腐体系的底漆使用，用于汽柴油罐的导静电底漆，因为其具有阴极保护作用，所以涂层防腐寿命长，可以延长储罐的清罐周期，降低储罐的维护成本。另外，水洗无机富锌底漆的环保性和安全性，在储罐防腐蚀施工时，也具有很大优势

5. 无机富锌防锈防滑涂料

在水性无机富锌底漆的配方中，搭配一定比例的防滑骨料，可以做成无机富锌防锈防滑涂料，用于高强螺栓连接面抗滑移涂料。试验表明，漆膜初始抗滑移系数超过0.55,6个月的抗滑移系数超过0.45。目前已经大量用于各类大型钢结构桥梁等工程中，比如京沪高铁部分桥梁中，经过多年验证，效果良好。

四、施工工艺

因为水性无机富锌底漆成膜的特殊性，其对施工的要求也跟常规溶剂型富锌底漆有很大差异，但并不是说水性无机富锌底漆的施工难度有多大，只要掌握要领，严格管理，水性无机富锌底漆的施工质量还是有保证的。

1. 基材表面处理

喷砂前应先钢结构表面是否有油污等污染物，如有必须先清除洗净，等干燥后方可喷砂。

喷砂介质可选用钢砂、钢丸、铁矿砂、铜矿渣等，不能采用海砂；喷砂介质应干燥无油，喷砂设备必须配备性能良好的油水分离器。喷砂后的钢表面可用压缩空气或吸尘器清理干净，表面不得受油、蜡等有机物的污染。若局部受到油、蜡污染，也必须用除油剂清除。

钢表面经喷砂或抛丸后的表面清洁度等级必须达到GB 8923规定的Sa 2.5级或以上，表面粗糙度以Rz30～75微米为宜。表面粗糙度过大，容易造成涂料浪费，而且尖峰处不易被涂料覆盖，容易生锈。若水性无机富锌底漆作为不打掉的车间底漆使用，表面粗糙度以Rz30～50微米为宜

表面预处理后新裸露出来的基体金属处于活化状态，暴露在潮湿或强腐蚀环境下极易再次生锈。为防止钢材生锈，一般应在喷砂后4小时内涂装底漆，潮湿或工业大气环境下，应在2小时内喷涂完毕，晴天或湿度不大的条件下，最长不超过8小时。

涂装前如发现基体金属表面被污染或返绣，应重新进行表面处理，以达到要求。

2. 涂装环境条件

涂装作业应尽可能在好天气条件下进行，气候潮湿或气温较低的季节应在室内进行。

水性无机富锌涂料温度要求为5℃～35℃；湿度不高于85%。尽量避免在过热发烫的钢材（如夏天中午经阳光暴晒后的钢板）上涂装，不然会导致干喷、涂层开裂等缺陷，宜选择早上、傍晚或室内进行。基材表面温度低，漆膜不易干燥；温度过低，漆膜容易结冰，结冰后必须喷砂后重涂。

另外，须避免在干燥刮风的天气状况下在户外施工，否则涂层因为表干极快导致开裂，宜在室内施工。

水性无机富锌底漆在常温下4小时即实干，此时淋雨对涂层已无影响，温度越低，实干时间越长。

3. 涂料配制

水性无机富锌底漆为双组份涂料，喷漆前需要将两个组分混合搅拌均匀后，方可进行施工。

选用气动或电动搅拌器，进行高速搅拌，不建议采用手工搅拌。

使用前，先将组A（粘结剂）充分搅拌，然后在搅拌组份A（粘结剂）的同时，逐渐按比例将组份B（锌粉）添加到组份A（粘结剂）中，然后充分搅拌10分钟以上。使用前建议将混合物经40～80目滤网过滤，避免喷涂堵枪。

禁止将组份A（粘结剂）加到组份B（锌粉）中搅拌，以避免结块。

夏天温度过高时，配制好的涂料可添加5%以内的清水调节粘度，其他季节一般不加，以保证涂层厚度。配制的涂料应在适用期内用完，适用期是指多组分涂料在使用前按规定的比例混合后，不发生胶化能正常施工的时间。常温下一般8小时；温度升高，适用期缩短，温度降低，适用期延长。

开桶后未配制的涂料要重新封闭贮存，注意防火防潮，避免阳光暴晒。

4. 涂装方法

水性无机富锌涂料只推荐采用空气喷涂和刷涂两种方式，不允许滚涂和高压无气喷涂。空气喷涂分为普通空气喷涂和带压力罐的空气喷涂，见图8，图9。

图8 连接好的压力罐喷涂装置

图9 水性无机富锌底漆喷涂施工

普通空气喷涂一般有上壶式喷枪和下壶式喷枪，喷枪喷嘴口径1.8mm～2.2mm。水性无机富锌涂料适宜用上壶式喷枪喷涂。带压力罐的空气喷涂设备，主要用于水性无机富锌底漆的大面积施工，同时也能用于其他类型涂料。可喷涂粘度较大的涂料，稀释剂用量要比普通空气喷涂少，喷枪雾化反弹也比普通喷涂小，喷枪可以任意角度喷涂而不受限制。缺点是不能连续加料，根据压力桶尺寸，主要有20L，30L和40L，用完后需停下来开盖加料后才能继续使用。

喷涂设备在施工结束后应立即用清水冲洗，喷枪在使用过程中，应及时用清水冲洗或更换零件，使用完后彻底清洗。以上设备必须专用，不可与其他涂料混用。

5. 涂覆工艺

水性无机富锌涂料自重涂推荐采用湿碰湿喷涂，即在第一道涂层未完全表干前（5分钟～30分钟）就喷涂第二道，有助于提高涂层附着力，重涂最长不超过24h。

将焊缝和自由边先进行预涂。不应直接喷涂角落，避免涂料的过度堆积，应让扇形边缘涂布在角落上。涂层堆积过厚，在钢材上会发生龟裂。

手持喷枪与被涂物表面始终要保持垂直；枪嘴至被涂物表面距离宜在30cm上下。采用均匀、同向的湿喷涂，每次覆盖前一次的1/3～1/2，以避免空隙、漏涂。

气温超过35℃时应防止干喷出现；温度低于10℃时应防止流淌出现，如遇流淌，应立即用毛刷蘸水将流淌刷匀。

涂装时对水性无机富锌涂料要随时进行搅拌，以防止沉淀影响涂层性能。

水性无机富锌涂层由于锌粉含量高，涂层也有一定的孔隙率，故在水性无机富锌涂层上施涂有机类涂料，也可能会有少量气泡发生。对此，可采用雾喷的方法，即向环氧磷酸盐封闭漆或环氧云铁底漆、或环氧云铁中间漆中加入较大量的稀释剂，薄薄的喷上一层，就可以赶出涂层中的空气，15分钟后就可以喷涂下道涂料了。

6. 质量问题及处理方法

以下是水性无机富锌底漆施工过程中容易出现的质量问题，以及对应的处理办法。

表1 水性无机富锌底漆的质量问题及成因，处理方法

五、一些问题及思考

1. 施工工艺要求高

目前已经有适合的高压无气喷涂机可以喷涂水性无机富锌底漆，施工效率已经大为提高，但是对工艺要求比常规产品高，容易堵枪等问题，也会影响到施工单位的喷涂效率和喷涂效果。

2. 漆膜容易翘皮

不像其他有机富锌底漆，随便怎么喷涂，无论什么样的基材，当时喷上去干了后，外观是不会出现任何问题的。但是，水性无机富锌底漆由于其成膜特性，对钢结构基材的表面处理要求高，一旦表面处理不到位，漆膜跟基材之间就没有附着力，漆膜一旦表干，马上开裂翘皮。这样导致施工人员不能对表面处理工序有任何的懈怠和放松，施工单位完全没有偷懒的可能性了，施工人员也不太乐意用水性无机富锌底漆。

实际上，水性无机富锌底漆的这个特点，对于防腐工程的质量来说，实质上是很大的优点，它能让质量问题暴露的初期，表面处理不达标，必然出现问题。如果不出问题，表面处理质量基本是能有保证的。对于对施工质量要求高的工程项目来说，其实可以好好利用水性无机富锌底漆的这个特点。

3. 可复涂性差

水性无机富锌底漆的良好附着，取决于基材表面的粗糙度和足够的活性金属，喷涂一道后，如果长时间晾置，表面的锌粉会逐渐氧化失去活性，再次复涂就会导致附着力损失，存在潜在隐患。此时，只能用环氧富锌代替使用。

六、结论

水性无机富锌底漆跟其他涂料相比，有很多的独特性，还有一些性能值得我们去发现和了解，行业内很多人对此并不是特别了解。但是其优异的性能和良好的发展前景，很值得我们去了解，重视并推广，相信未来水性无机富锌底漆一定有不错的应用前景。

七、参考文献

1 李立芳，赵国安，崔周平，无机锌硅防腐涂料的发展和应用，第四届全国表面工程学术交流大会论文集。

2 刘新，防腐蚀涂料与涂装应用，化学工业出版社，2008

3 章小鸽，锌的腐蚀与电化学，冶金工业出版社，2008

4 季瑞峰，钱叶苗，刘登良，水性无机富锌涂料，涂料工业，1999年，第9期.