姚谷，李柘林
（广东新会中集特种运输设备有限公司，江门529144）
摘要：本文通过对比试验研究的方法，验证了集装箱用无锌粉末涂层具有全面优于水性漆涂层的质量性能，消除了客户对粉末涂层无锌的质量担忧，并且验证了无锌粉末涂层与现有集装箱制造工艺的相容性。
关键词：集装箱；粉末；水性漆；涂层；无锌；底漆
中图分类号：TQ630.7+2
文献标识码：A
文章编号：1004-7204(2023)09-0030-06
引言
多式联运促进了全球贸易的快速发展，与现代生活息息相关。集装箱是多式联运的核心装备之一，全球保有量给3600万TEU。目前中国新造集装箱约占全球市场份额的95%，年平均新造集装箱约300万TEU左右。近年来全球贸易不平衡，将进一步推高集装箱保有量，加大新箱需求。经测算，传统集装箱水性漆涂装每年产生VOCs约1.4万吨，废水约70.3万吨，固废约5.1万吨，带来了巨大的环保压力。为彻底解决集装箱涂装环保问题，实现“三废”零排放，2019年广东新会中集特种运输设备有限公司在行业内率先开展粉末涂装技术在集装箱的应用研究。
涂层体系研究是粉末涂技术在集装箱应用研究的核心内容之一。在水性漆涂层体系中，需加人锌以满足集装箱重防腐的要求；而粉末涂层的防护性能不依赖锌粉，并且加入锌粉“有害无益”，因而项目组创新开发了海运集装箱无锌粉末涂层体系。
本文通过对比实验研究的方法，不仅验证了这一理论，而且证明了集装箱无锌粉末涂层的质量性能全面优于传统水性漆涂层，能更好的满足集装箱使用过程中对涂层的质量要求，同时也完全适用于集装箱制造工艺。
1两种涂层体系的防腐机理分析
1.1锌粉在集装箱水性漆涂层中的防腐机理
集装箱水性漆涂层体系按照涂装部位可分为箱外涂层、箱内涂层和底架涂层，每一处涂层从功能上又可以分为底漆、中间漆（仅箱外）和面漆，其中底漆为环氧
富锌底漆，在涂层防腐方面发挥重要的作用。表1是一种常用的集装箱水性漆涂层体系。集装箱水性漆主要以水作为分散剂，涂料中含有大量的水份，在烘干固化过程中，水份挥发逸出导致涂层中存留大量的孔隙，因而涂层结构比较疏松，外界的水分、空气及其他有害离子容易进入内部并腐蚀钢材基体。因而，在底漆中加入锌粉提升其防腐性能，以满足集装箱的防腐要求。
为了得到较好的防腐性能，环氧富锌底漆的锌含量一般不低于70%。漆膜中大量的锌粉能够与钢材基材紧密接触而起到导电和牺牲阳极的作用。环氧富锌涂层中锌粉的保护作用一般认为包括两个方面：
1）前期的阴极保护作用。由于锌比铁活泼，锌的标准电位（-0.76V）比钢铁（-0.44V）低，漆膜在受到侵蚀时，锌粉作为阳极先受到腐蚀，基材钢铁作为阴极受到保护。
2）后期的屏蔽作用。在腐蚀后期过程中，锌粉不断被腐蚀，其腐蚀产物即碱式碳酸锌，俗称“白锈”，其结构致密且不导电，是难溶的稳定化合物，在涂层孔隙和钢铁表面沉积，堵塞了涂层孔隙，阻挡和屏蔽腐蚀介质的侵蚀，起到防蚀效果，即“自修复”性。
1.2集装箱无锌粉末涂层的防腐机理
集装箱无锌粉末涂层体系按照涂装部位可分为箱外涂层、箱内涂层和底架涂层，除预处理工序预涂的车间底漆之外，每一处涂层从功能上又可以分为底涂层和面涂层，所有涂层及其所用涂料均不含锌。
表2是一种集装箱无锌粉末涂层体系。集装箱粉末涂料是100%固体，不含有机溶剂和水，在烘烤过程中粉末经历软化、熔融、流平和交联后固化等阶段，最终在钢材基材上形成一层附着力良好的、致密的屏蔽保护层，完全隔绝外界的水分、空气及其他有害离子的侵人。
由于粉末涂层结构致密，其防腐性能不依赖于锌粉，加人锌粉会破坏粉末涂层的致密性和附着力，有害无益。其机理主要包括两个方面：
1）锌粉被完全包覆并且与钢材基材隔离，不能对钢材基材起到阴极保护作用。
2）当锌粉被氧化腐蚀后体积膨胀，破坏粉末涂层致密性，以及粉末涂层与基材的附着力。
2两种涂层体系质量性能的试验研究
2.1两种涂层的微观结构比较
通过美工刀切开涂层，放大80倍后观察，可以清晰地看到切口处粉末涂层致密且均匀一致，而水性漆涂层中布满微孔（图1、2）。并且，粉末涂层难以切割，而水性漆涂层容易切割，反映粉末涂层具有更好的机械性能。
2.2锌粉在两种涂层中作用的试验对比
通过对比两种涂层表面电阻，可以间接比较锌粉在两种涂层中的阴极保护作用。测试仪器是电气安全性能综合分析仪，型号：AN9635HS，测试电压：110V。
结果表明：
1）当水性漆涂层的含锌率从0%开始增加时，表面电阻迅速降低，当含锌率超过10%之后，表面电阻小于1M2（仪器最小量程），说明水性漆涂层中的锌粉和钢材基材之间处于相互导通状态。
2）当粉末涂层的含锌率从0%提升至70%，表面电阻均大于9999MQ（仪器最大量程），呈绝缘状态，说明粉末涂层中的锌粉被粉末紧密包覆，锌粉和钢材基体之间相互不导通，因而锌粉无法对钢材基体提供阴极
保护作用。
图3是对不同含锌率（含锌率范围：（0～70）%）的粉末涂层和水性漆涂层的表面电阻进行测试的结果。
2.3两种涂层体系质量性能综合比较
1）美国KTA实验室检测的结果
美国KTA实验室是集装箱行业公认的最具权威的第三方试验室。新的涂料要被行业客户接受，一般都需要经过KTA实验室按照IICL标准要求进行检测评分（满分为100分，70分为及格），得分越高，代表质量性能越好。
表3是美国KTA实验室对水性漆涂层和无锌粉末涂层检测的结果，样件的涂膜分别按照表1和表2的要求制作。
结果显示，无锌粉末涂层得分接近满分，远高于水性漆涂层，且各项质量性能全面优于水性漆涂层，特别是：边界扩蚀和冲击性能等明显优于水性漆，验证了无锌粉末涂层具有更优秀的防腐性能和机械性能。
2）两种涂层质量的全面检测对比
IICL标准（即国际集装箱出租商协会推出的标准）主要从防腐性能、机械性能、老化性能三个方面对涂层的质量性能进行评价，但并不能全面评价粉末涂层是否适用于集装箱。而目前尚无相应的集装箱粉末涂层的质量标准和检测方法，为此项目组开发了集装箱全生命周期涂层质量地图(如图4)，
用于指导对集装箱涂层质量及其与集装箱制造工艺兼容性的全面验证，该质量地图的检测内容完全涵盖ⅡCL标准，检测内容包括:工艺性能、防腐性能、耐候性能、机械性能、维护性能和货物安全性能，共计30项检测项目按照质量地图指引，项目组对无锌粉末涂层和水性漆涂层进行了大量的、充分的检测(包括项目组内部测试和第三方权威机构检测)，使用的各类试板累计超过10000件，结果显示无锌粉末涂层不仅在防腐性能、机械性能及货物安全等全面超越水性漆涂层;而且与集装箱制造工兼容性良好，更能适应天气变化及地域环境的差异。以下为几项主要质量性能的对比。
A防腐性能对比
防腐性能的对比试验项目有9个，其中6个试验项目的结果显示：无锌粉末涂层优于水性漆涂层，详见表4：2种涂层体系的防腐性能对比试验结果；另外3个试验项目（耐盐水、耐水、耐挥发油）的结果显示2种涂层均满足要求。
B机械性能对比
机械性能的对比试验项目有6个，结果显示：无锌粉末涂层优于水性漆涂层，详见表5：2种涂层体系的机械性能对比试验结果。
C耐候性能对比
耐候性能的对比试验项目有3个，其中2个试验项目的结果显示：无锌粉末涂层优于水性漆涂层，详见表6：2种涂层体系的耐候性能对比试验结果；另外1个试验项目（耐冷热循环）的结果显示2种涂层均满足要求。
D货物安全性能对比
货物安全性能的对比试验项目有2个，其中1个试验项目的结果显示：无锌粉末涂层优于水性漆涂层，详见表7：2种涂层体系的残留气味对比试验结果。另外1个试验项目（满足FDA）的结果显示2种涂层均满足要求。
E与集装箱兼容的工艺性能
与集装箱兼容性的试验结果显示粉末涂装工艺与集装箱工艺兼容性良好，可以与现有的集装箱工艺无缝衔接而不会造成任何冲击和影响。有关试验结果详见表8：粉末涂层相关质量性能试验结果。
2.4整箱盐雾试验
在整箱盐雾试验室中，对2台40英尺的粉末集装箱和水性漆集装箱进行同步对比试验。试验按照CB/T10125所规定的铜盐乙酸加速试验标准，试持续了4周（总计750h），直至水性漆集装箱的涂层出现大面积起泡后停止。
项目组为了验证整箱盐雾试验和小件样品的盐雾试验的差异，在进行整箱盐雾试验的同时，也放入了一批小件样品。这些小件样品是在上述2台试验集装箱生产时同步制造的。
结果显示，整箱腐蚀状况与小件样品腐蚀状况总体一致，粉末集装箱的涂层没有任何起泡，仅局部有零散锈点，而水性漆集装箱的涂层出现严重的起泡，和大面积的严重锈蚀。
3 结论
经过全面的、大量的试验检测，结果显示在防腐性能、机械性能、老化性能、货物安全性等各方面，无锌粉末涂层均比含锌水性漆涂层具有显著的质量优势，能更好地满足集装箱的使用需求。同时，试验结果也充分地验证了粉末涂装工艺能很好地满足现有的集装箱制造工艺的要求，并能很好地相容而不会造成任何冲击。
由于去除了锌粉，无锌粉末涂层比含锌水性漆涂层更具成本竞争力，而且减少了锌粉在制造和应用过程中对环境的污染;同时，集装箱制造工艺的其他环节没有改变，不会因为实施粉末涂装工艺而造成成本增加。
因此，在实现“三废”零排放的同时，无锌粉末涂层还具有显著的质量优势和成本竞争力，为集装箱行业实现“绿色涂装”提供了一个标本兼治的解决方案。
4 展望
粉末涂装工艺彻底颠覆了传统的集装箱涂装工艺，是集装箱行业实现“绿色涂装”的正确之路，无锌粉末涂层的试验研究解决了实施粉末涂装工艺的核心问题。在此基础上，项目组构建了粉末涂装相关企业标准和团体标准，并努力推动行业标准和国家标准的构建在新会中集研制出全行业第一条集装箱整箱喷粉全自动生产线并取得试产成功。
在全面推进粉末涂装工艺应用的进程中必然会有新的技术问题出现，相信随着全行业同仁的共同努力，新的技术问题一定也会得以解决。项目组也将继续深挖集装箱“绿色涂装”之路的新课题，进一步降低或彻底消除VOCs，为集装箱行业持续健康发展、为“绿水青山”的国家环保战略不懈努力。
参考文献:
[1]于杰,张湘凤,等.集装箱涂料与涂装质量控制[J].涂料工业,2001(6):24-27
[2]李敏风.集装箱涂料及技术要求[J].中国涂料2001(3):47-48.
[3]JT/T810-2011,集装箱涂料 [S].
[4]JH/TE06-2021,集装箱用水性涂料 [S]
作者简介:
姚谷(1966.4-)，男，本科，工程师，主要研究方向:集装箱产品及其制造工艺和装备。
李柘林(1972.12-)，男，本科，工程师，主要研究方向:集装箱制造工艺和装备。
文章来源：《环境技术》2023年
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