李忠亮 上海暄洋化工材料科技有限公司
前言：锌是一个分子量与铁相近，是还原性比铁稍强，加工方便、保存容易的一个金属元素。工业上锌是用来作为牺牲阳极保护钢铁的关键材料，本文阐述锌在防腐蚀领域已经商品化的产品及其技术特点。
一、锌是最合适的钢铁防腐蚀材料
“钾钙钠镁铝锌铁锡铅氢铜汞银铂金”，在我们中学化学学过的金属还原性的顺序表中，排位越靠前的金属元素越活泼、还原性越强、越容易和氧气等氧化剂反应。其中氢对应的氧化物是自然界中普遍存在的水，排序在氢之前的元素不能够以单质的形式存在，而铜汞银铂金却可以长期存在，在现实生活中我们常见铜制成水龙头、水银温度计、银元宝（银）、铂的催化剂和金首饰，它们都是可以以单质状态存在，不容易被氧化和被腐蚀的。
钢铁是我们常用的性能极佳的材料，他的强度、韧性样样都好，但是它必须被保护为单质状态，否则变为氧化铁就成了一堆粉末状的灰，没什么使用价值。钢铁防腐蚀的根本就是要维持铁的单质状态。在金属还原性顺序表中，位置靠前的金属可以还原或置换出顺序靠后的金属，课本里的实验便是用铁置换铜，那么有什么元素可以置换铁呢？我们从顺序表向前找就能找到锌元素。锌没有钾钙钠镁铝那样的活泼，没有钾钙钠镁铝那样难以冶炼，锌是相对廉价的、锌是方便的。锌没有的铁的强度、韧性，锌天生就是保护铁的物质、是最优的。锌牺牲自己，温和的给铁输送电子，保护铁不被氧化，这个过程被称之为牺牲阳极电化学保护。
二、在防腐蚀领域的锌制品
化学工程师用了很多办法将锌应用于钢铁的防腐蚀。
锌锭
船舶，钢制的船舶是巡游在大海上的，海水很容易腐蚀掉暴露在水里或者空气里的钢铁制品，所以化学师在船上装了个大锌锭，用导线将其和钢制船体连接，在钢铁遇到腐蚀的时候，锌就输送电子保护船上的钢材。锌自我牺牲消耗到一定程度，则需更换一块锌锭达到保护钢铁制品的目的。除船舶外，海上结构比如海上风电塔筒也都有用锌锭来进行电化学保护的。没有用锌锭的也可以用直流电对海上的钢结构进行保护。
电镀锌
电镀锌是将表面处理好的钢材放到镀锌用的药水中，通过电流，药水中锌离子被还原为锌，均匀的、薄薄的涂在钢板上，钢材或构件所有角落都是非常的均匀，不会被遗漏；所有的涂层厚度都是一致的，外观银色平整或有花纹，非常漂亮。电镀锌工艺的缺点是其酸洗、钝化等环节都产生危废和三废化学品，环境危害极大。没有环保处理能力和没有化学危废品处理能力的小厂都被关停。政府只在实力雄厚的钢厂保留现代化先进的生产线，用于冷轧钢板、轻钢结构线材板材构件的镀锌生产。
图1：电镀锌钢卷
图2：汽车电泳涂装线
热浸锌
热浸锌是将表面处理到清洁的钢材放到熔化的锌水里面形成几十微米以上的热浸锌层。热浸锌涂层最外层是钝化的锌层，锌层往里是锌铁合金和渗锌铁层，热浸锌的防腐年限非常长，可以达到50年以上，可应用于电力铁塔等行业。热浸锌的表面锌灰色，或有局部的不均匀，其工艺缺点主要还是浸锌锌槽车间的污染和钝化工艺的产生的危险化学品危害较大。国家对热浸锌工艺实行总量控制，一般限定某地的热浸锌工厂数量。
图3：热浸锌生产现场
图4：热浸锌电力铁塔
热喷锌
热喷锌或热喷锌铝合金是用高压电弧加热，使锌条和铝条雾化喷出，作为法兰面或摩擦面抗滑移涂料等使用。
图5：热喷锌现场作业
图6：热喷锌锌丝
含锌涂层
含锌涂层是通过树脂等胶黏剂将锌粘到钢板上，形成保护功能的涂层。含锌涂层至少要解决两个问题：一个是要把锌粘的牢，涂层不要掉下来；另一个是锌要和铁有电子迁移，锌能够在腐蚀发生时完成电化学保护。含锌涂层施工方便，一般用作底漆，可达到15~30年长效重防腐的防腐蚀效果。含锌涂层可以包含有机树脂成膜的环氧富锌底漆，纳米硅溶胶成膜的无机硅酸锌底漆，其他树脂成膜的冷喷锌底漆以及片锌片铝重铬酸钾与水组成的达克罗涂层。
基于环保要求和其他功能性的要求，化学师在环氧富锌底漆的基础上又研发了水性环氧富锌底漆；无机硅酸锌底漆可分为溶剂型无机硅酸锌底漆和水性无机硅酸锌底漆，溶剂型无机硅酸锌底漆细分为溶剂型抗滑移无机防锈防滑涂料和溶剂型车间底漆，水性无机硅酸锌底漆又细分为了水性无机富锌底漆、水性抗滑移无机防锈防滑涂料、水性无机硅酸锌车间底漆。冷喷锌底漆细分为单组份溶剂型冷喷锌底漆和双组份水性冷喷锌底漆。达克罗涂料薄涂和防腐蚀性能十分卓越，但其含有重铬酸成分包含六价铬是致癌物质被国家限制使用，仅允许在汽车紧固件使用，于是后来化学师又研发了无铬达克罗和替代达克罗特种锌涂料。
图7：锌的应用示意图
图8：水性无机富锌底漆
图9：高强螺栓连接面专用水性无机富锌
图10：水性无机硅酸锌车间底漆
图11：达克罗涂层
图12：替代达克罗特种锌
图13：冷喷锌涂层
图14：水性冷喷锌涂层
三、含锌涂层的几个特点
含锌涂层的性能主要和以下几个因素相关。
锌的种类
锌粉、鳞片锌。绝大多数的含锌涂层使用500目~1000目锌粉；达克罗系列采用鳞片锌，鳞片锌需要在形成涂层的时候要做到层层平铺。
颜料孔隙
富锌涂料的锌含量较高，都是用作底漆，涂料成膜后会形成较大的孔隙，单一涂层使用关系不大，空气中的水和二氧化碳会和锌粉反应生成致密的碱式碳酸锌，使涂层致密，强度增加。作为复合涂层的底漆，孔隙中的水和空气会被中漆封闭到底层，给涂层安全造成隐患，应在中漆施工前应施工封闭漆。
锌含量
热浸锌电镀锌使用纯锌，热喷锌使用纯锌丝或者75%锌丝25%铝丝，达克罗是鳞片锌和鳞片铝比例可选。含锌涂层中，冷喷锌含锌量最高，其金属锌含量92%以上，全锌含量96%以上；之后是无机富锌底漆和环氧富锌底漆，一般含锌量在60~85%；溶剂型和水性无机硅酸锌车间底漆锌含量较低，约为30%；干膜中，其他的颜料有辅助锌粉改善防腐蚀性能和施工性能的作用，其中某些原料不一定比锌粉便宜。
施工方式
含锌涂层都是用作底漆，可使用高压无气喷涂、辊涂、刷涂、有气喷涂。含锌涂层一般固含量较高，喷嘴口径选择以稍大为宜。车间底漆是流水线自动化喷涂作业，要求薄涂和快干。
固化方式
含锌涂层的固化方式由成膜树脂的固化方式决定，一般为常温固化，达克罗涂层为加热固化。溶剂型无机硅酸锌涂料喜湿度高，水性无机硅酸锌喜湿度低。溶剂型涂层和水性涂层都要在零度以上固化，环氧树脂在低温条件下固化也不好。
表面处理
含锌涂层均使用于钢材表面，表面处理要达到Sa2~Sa2？(GB/T 8923.1-2011)，溶剂型涂料特别注意钢材表面不要有水，水性涂料特别注意钢材表面不要有油。含锌涂层可以修补或复涂，复涂时原涂层必须拉毛处理，有足够的粗超度。
耐盐雾时间
含锌涂层采用划叉法测试耐盐雾时间，无机硅酸锌涂层和冷喷锌有更好的电导率，有更好的阴极保护作用，水性无机富锌涂料耐盐雾测试超过12000小时，冷喷锌涂层也有做过9500小时耐盐雾测试的记录；达克罗涂层鳞片锌和鳞片铝涂层致密具有阴极保护、屏蔽、钝化三合一的功能，耐盐雾时间也是极好的；之后是环氧富锌涂料，耐盐雾时间取决于含锌量，再后是水性环氧富锌，耐盐雾实验1000小时就已经很不错。最后是车间底漆类，车间底漆是临时性保护，采用了另一套考察机制和执行标准。
耐人工老化
无机硅酸锌类涂层成膜物质为无机硅类或者其他无机成膜物，成分与玻璃相像，没有有机成膜物质中碳碳双键和碳碳键，不担心紫外线的伤害，耐人工老化时间非常长，水性无机富锌涂层有耐人工老化测试12000小时的验证。
施工性能
环氧富锌涂料是施工队伍最喜欢的涂料，施工容易方便，容忍性好，水性无机富锌涂层就需要表面处理做到Sa2？(GB/T 8923.1-2011)，稍微严格了一点。所有的含锌涂层施工前都需要将钢材的不牢固的氧化皮打掉，否则再好的涂层都会因为残留氧化皮在变松散、膨胀的过程中附着力下降，脱落；水性无机富锌涂层的施工操作规范已经与环氧富锌涂层相近；水性无机硅酸锌车间底漆的流水线施工性能已经达到或超过了溶剂型无机硅酸锌车间底漆；水性涂料施工性能的提升对环保来说是非常好的消息。环氧富锌涂料的附着力非常好，可达到20兆帕，水性无机富锌涂料可达到8兆帕，水性冷喷锌可达到8兆帕，溶剂型无机硅酸锌类涂层可达到4兆帕以上，溶剂型冷喷锌可达到3兆帕以上，无机硅酸锌类产品在完全固化的过程中会进一步和钢铁底材反应，附着力在有所上升。
抗滑移系数
水性无机富锌和溶剂性无机硅酸锌专门研发成为应用于桥梁钢结构的高强螺栓连接面的抗滑移涂料，有逐渐替代热喷铝的趋势。水性无机富锌抗滑移涂料抗滑移系数较溶剂型无机硅酸锌抗滑移涂料更高更稳定。
VOC含量
涂料的溶剂是VOC的主要来源，溶剂型涂料的溶剂全是VOC，含量在420G/L，溶剂型车间底漆最多，达到了600G/L,水性无机硅酸锌类的最低，小于10G/L，是真正的环保涂料；水性环氧富锌底漆VOC含量在60~240G/L之间。
四、总结
锌以温和的脾气和执着的牺牲精神完美的承担着保护钢铁的任务，保障建筑、桥梁、船舶、汽车、装备、电力等人们生活的方方面面。伟大的化学师面对不同的用途将锌以最方便、最经济、最高效、最环保的方式进入生产流程，制成不同类型的产品；目前锌产能大部分都用在防腐蚀领域，至于葡萄糖酸锌等营养品耗用的锌，根本无法和防腐蚀应用的耗量相比。
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