文 / 凌垄灏 ( 黄山华佳表面科技有限公司 )
摘要：指出了热镀锌钢管的防腐蚀优势，分析了粉末涂料在热镀锌钢管表面附着力差的原因。通过对粉末体系的筛选，树脂的选择，以及脱气剂、硅烷偶联剂等助剂的添加，最终得到在热镀锌钢管表面具有优异水煮附着力的粉末涂料产品。
0.引言
人们很早以前就认识到锌对于钢铁有着优异的腐蚀保护性能。早在1840年，热浸镀锌工艺就在法国首先开发出来，用以保护钢板和钢管。此项工艺技术经过不断改造，至今仍广泛使用。20世纪40年代和50年代，澳大利亚和美国的工程技术人员先后研制成功了富锌漆，使“冷镀锌”成为可能[1]。冷镀锌和热镀锌在本质上是不同的，冷镀锌是把锌盐溶液通电进行电解，将其中的铁离子和锌离子发生化学反应，操作环节少，过程简单，但是由于冷镀锌再加工的过程中不需要进行加热，所以冷镀锌上锌量要比热镀锌少很多，所以冷镀锌的耐腐蚀性比较低，在遇到油污、潮湿等恶劣的环境时，耐腐蚀性就会变弱。所以在抗腐蚀的管道产品中，一般选择热镀锌。在热镀锌的制作过程中，一定要严格控制工艺，保证镀锌层的质量，尤其是附着力。若是锌层出现脱落的现象，便会导致钢板裸露，失去防腐效果[2]。随着钢管耐腐蚀要求的提高，结合现有的涂装技术，一些涂覆钢管厂提出“钢管+镀锌层+粉末涂层”的三层防护。由于镀锌管是在钢管表面覆盖了锌层，锌的电极电位高于钢铁，锌层与大气在腐蚀的环境中形成了一层钝化膜，一定程度上减缓了钢铁的腐蚀。粉末涂料涂覆于镀锌层之上，根据应用环境的需求，可定制防腐、耐候、耐热、耐化学品等性能优异的粉末涂料产品，为钢管增加了一层的防护。因此，“钢管+镀锌层+粉末涂层”构成的三层防护系统，进一步延长了钢管的使用寿命。
1.试验部分
1.1 试验原材料
环氧树脂A，环氧树脂B；酚类固化剂；双氰胺；聚酯树脂A、聚酯树脂B、聚酯树脂C、聚酯树脂D、聚酯树脂E、聚酯树脂F；流平剂；填料；聚乙烯蜡A；聚酰胺蜡B；硅烷偶联剂。
1.2 涂料的制备
按照配方准确称取各成分原材料，放入混合机中高速混合，然后通过双螺杆挤出机挤出冷却，将冷却后的料片经咖啡磨粉碎后用180目筛网过筛得到成品粉末涂料。
1.3 工件的制备
工件类型：DN=50 mm镀锌钢管；前处理方式：轻喷砂，除去钢管表面的氧化锌等杂质，保留锌层；喷涂工艺：15 min@180 ℃预热、20 min@200 ℃后固化；涂层厚度：250~350 μm。
1.4 检测方法
1.4.1 镀锌层性能检测方法实验采用的热镀锌钢管的镀锌层性能应符合标准GB/T 3091—2015《低压流体输送用焊接钢管》中条款5.9关于镀锌层的要求。
1.4.2 粉末涂层性能检测方法
参照CJ/T 120—2016《给水涂塑复合钢管》的标准要求，制作工件进行24 h@95 ℃水煮附着力检测，划一个15mm×30 mm的长方形进行评级。
按下列分级标准评定长方形内涂层的附着力等级：
1级—涂层明显地不能被撬剥下来；
2级—被撬离的涂层小于或等于50%；
3级—被撬离的涂层大于50%，但涂层表现出明显的抗撬离性能；
4级—涂层很容易被撬剥成条状或大块碎片；
5级—涂层成一整片被剥离下来[3]。
需要特别指出的是，CJ/T 120—2016标准中检测的是钢管内涂层的附着力，本实验参照该标准的检测方法，均测试镀锌钢管外涂层的水煮附着力。
2.结果与讨论
2.1 粉末涂料在热镀锌钢管上附着力差的原因分析
众所周知，粉末涂料在镀锌管上的附着力，尤其是水煮之后的附着力，在行业中一直是一个难题。但在镀锌管产品中，若锌层或粉末涂层的附着力出现问题，对钢管的防护作用将大打折扣。查找大量文献发现，导致粉末涂料在热镀锌钢管上附着力差的原因主要有：
(1) 镀锌工艺的影响：镀锌前，基材表面的残留物过高会导致镀锌层脱落，钢管在退火炉中停留的时间过长并在进入锌锅后具有较高的温度也会在一定程度上造成锌层的脱落等；
(2) 镀锌层太厚，镀锌层中混入气体，烘烤时膨胀，导致涂层表面出现大量针孔，严重时造成涂膜脱落；
(3) 镀锌层具有一定的活性，在高温下易与粉末涂料中部分基团发生反应，影响涂层固化，导致涂层附着力下降；
(4) 锌的二次生成物，碱式复盐易溶于水，水煮后膨胀，影响涂层附着力。
2.2 粉末体系对镀锌管附着力的影响
在我们常见的粉末涂料各体系中，聚酯羟烷基酰胺体系固化过程有大量水分子放出，造成针孔，不利于厚涂；丙烯酸、聚氨酯、氟碳等体系成本较高，通常也不用于管道的涂装；所以实验选取了环氧双氰胺、环氧酚类、环氧聚酯体系和聚酯TGIC体系进行对比，各粉末体系配方、固化涂层在镀锌钢管上的水煮附着力性能检测对比，如表1和图1。
实验结果显示：环氧双氰胺体系、环氧酚类体系、环氧聚酯体系在轻喷砂的热镀锌钢管上经95 ℃水煮24 h后测试附着力，涂层成一整片被剥离下来，附着力评级均为5级；而聚酯TGIC体系水煮附着力较好，表现出明显的抗撬离性能，附着力2级。
为防止实验出现偶然性，影响结果判定，按上述配方和工艺条件，再次进行验证实验，检测结果与上述实验一致。
2.3 聚酯种类对镀锌管附着力的影响
上述实验发现，聚酯TGIC体系在轻喷砂的镀锌钢管上经95 ℃水煮24 h后，附着力较好。在此基础上继续开展实验，考察不同种类聚酯对镀锌钢管附着力的影响。具体实验及检测结果如表2和图2。
实验结果显示：不同种类的聚酯在轻喷砂的热镀锌钢管上经95 ℃水煮24 h后，附着力有较大的差异。其中聚酯树脂B和聚酯树脂C经95 ℃水煮24 h后测试附着力，涂层成一整片被剥离下来，附着力评级为5级；而聚酯树脂D、聚酯树脂F和聚酯树脂A相似，经95 ℃水煮24 h后测试附着力，涂层表现出明显的抗撬离性能，附着力2级。
2.4 脱气剂对镀锌管附着力的影响
考虑到管件镀锌层中有气体残留，烘烤时若气体不能及时排出，会增加涂层的孔隙率，进而影响涂层性能。实验选择水煮附着力较好的聚酯树脂A，搭配市面上代表性的脱气剂安息香、聚乙烯蜡A和聚酰胺蜡B，增加涂层脱气性能，并检测水煮附着力。实验如表3和图3。
实验结果显示：在经轻喷砂处理的热镀锌钢管上，聚乙烯蜡A和聚酰胺蜡B的加入，影响水煮附着力，经95 ℃水煮24h后测试附着力，涂层成一整片被剥离下来，附着力评级为5级，不建议添加。安息香的加入，可以提高涂层的脱气性能，且对水煮附着力影响不大，可适量添加。
2.5 硅烷偶联剂对镀锌管附着力的影响
查阅文献发现，硅烷偶联剂具有特殊的YSiX3结构，作用机理如图4，X通常是氯基、甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基、乙酰氧基等，这些基团水解时即生成硅醇[Si(OH)3]，可以与金属基底有效地结合在一起；Y是乙烯基、氨基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基或脲基，这些反应基可与涂料中的活性基团进行反应而结合。因此，通过使用硅烷偶联剂，可在无机物质和有机物质的界面之间架起“分子桥”，把两种性质悬殊的材料连接在一起，提高了涂层的性能，增加了底材和涂层之间的粘接强度 [4]。
实验选择水煮附着力较好的聚酯树脂A和脱气剂安息香，添加配方总质量分数5‰硅烷偶联剂、10‰硅烷偶联剂与空白样进行水煮附着力对比，实验方案及性能检测结果如表4和图5~6。
实验结果显示：在轻喷砂处理的热镀锌钢管上，硅烷偶联剂的加入，可以进一步提高涂层的水煮附着力。经95 ℃水煮24 h后测试附着力，涂层明显地不能被撬剥下来，附着力评级为1级。但是10‰硅烷偶联剂的添加量，会降低粉末的T g，影响粉末的储存稳定性，同时增加了配方成本。综合考虑，建议在配方中添加质量分数5‰的硅烷偶联剂。
3.结语
(1) 热镀锌钢管具有优异的腐蚀防护性能，搭配粉末涂料组成的“钢管+镀锌层+粉末涂层”的三层防护系统，进一步延长了钢管的使用寿命。
(2) 因为镀锌工艺控制不当，锌层太厚、锌层中混入气体、加热后气体冲破涂层影响涂层致密性，金属锌活性高、高温下易与活性基团反应，锌盐膨胀等因素，粉末涂料在镀锌层上的附着力受到极大影响。
(3) 在常见的粉末涂料体系中，聚酯羟烷基酰胺体系固化过程有大量水分子放出，不利于厚涂；丙烯酸、聚氨酯、氟碳等体系成本较高，通常也不用于管道的涂装；对环氧双氰胺、环氧酚类、环氧聚酯体系和聚酯TGIC体系进行对比发现，聚酯TGIC体系在喷砂处理的热镀锌钢管上表现出优异的水煮附着力。
(4) 不同种类的聚酯树脂在轻喷砂的热镀锌钢管上经95 ℃水煮24 h后，附着力有较大的差异。使用时要通过实验谨慎选取。
(5) 在经轻喷砂处理的热镀锌钢管上，聚乙烯蜡和聚酰胺蜡的加入，影响水煮附着力，不建议添加。安息香的加入，可以提高涂层的脱气性能，且对水煮附着力影响不大，可适量添加。
(6) 硅烷偶联剂具有特殊的YSiX3结构，其中X代表烷氧基团，水解后生成的硅醇可以与金属基底有效地结合在一起；Y是其他的活性基团，可以与涂料中的活性基团进行反应。在轻喷砂处理的热镀锌钢管上，硅烷偶联剂的加入，可以进一步提高涂层的水煮附着力。
来源： 粉末涂料与涂装2021年第5期
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