钢结构桥梁重防腐蚀氟碳防腐配套涂层

1　引言
    大型钢结构建筑如钢铁桥梁、铁塔、港机、体育场馆、储罐、气柜、管道等，以及电站、石油化工和钢铁冶炼等具有复杂钢结构特征的重工业，腐蚀环境恶劣，若要长期使用而不进行大面积停工检修或者减少维修次数，就必须使用超长效防腐蚀涂层体系。
    国内外钢结构建筑随着腐蚀环境的差异而采用不同的涂料配套体系进行防护。国内钢结构防腐涂层体系低端市场以氯化橡胶、高氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯做面漆的配套涂层仍在少量应用。中高端市场以丙烯酸、丙烯酸聚氨酯、脂肪族聚氨酯、聚硅氧烷、氟树脂等面漆的配套涂层为主，其中丙烯酸聚氨酯和脂肪族聚氨酯做面漆的配套涂层占绝大部分市场份额。中高端市场主要被丹麦海虹老人牌涂料公司(HEMPEL)、挪威的佐敦油漆(JOTUNPaints)、阿克苏•诺贝尔旗下的国际油漆公司(IP)等几家大公司占领。
    氯化橡胶、高氯化聚乙烯、氯磺化聚乙烯做面漆的配套涂层，经2-3a使用，涂层就发生粉化，因此性能优越的丙烯酸、聚氨酯和氟碳涂料逐步取代上述涂料而成为我国钢结构上占主导地位的防腐涂料。
    通常重防腐要求涂层使用寿命在15a以上，如果配合中等程度维修，可以达到25～30a。常温固化型氟碳涂料防腐配套体系使用寿命是普通重防腐涂料的2～3倍，在国内外已有很多这方面的应用先例，早在1985年日本先后将常温固化型氟碳涂料用在国内天鸟桥、常磐桥等钢桥上，涂层不仅没有粉化，而且光泽保持率在80%以上，日本大森桥涂装的氟碳涂料已使用20a，目前光泽保持良好。大连振邦氟涂料股份有限公司于20世纪90年代初期开展常温固化型氟碳漆的研制，其氟碳面漆防腐配套体系产品先后在国家“西气东输”、郑州黄河二桥、重庆嘉陵江大桥、宜昌夷陵长江大桥、大连30万t原油码头、2008年奥运“鸟巢”等重点钢结构工程上取得良好的应用效果。
    常温固化氟碳涂料应用于钢结构重防腐领域还存在防腐配套体系单一，只能应用在特殊或重要的重防腐工程领域。因此以氟碳涂料做面漆，开发适应不同大气和工业腐蚀环境的氟碳防腐配套体系，是今后钢结构重防腐涂料领域的发展方向之一。
    2　实验部分
    2.1　试验研究内容
    在ISO12944腐蚀环境分类和推荐涂料防护系统的基础上，根据溶剂型氟碳涂料高性能特征，立足于重防腐领域高端市场(涂层耐久性大于15a)，针对国内不同地区大气和工业腐蚀环境，考虑防腐涂层体系防蚀耐候性、实用性、经济性，选择底漆、封闭漆、中涂漆、氟碳面漆，试验开发3套不同氟碳重防腐配套涂层体系，完善钢结构氟碳重防腐防护涂料系统，适应不同市场需求。3套钢结构氟碳重防腐配套涂层体系方案见表1。
　　表1　3套防腐体系设计配套方案
配套 腐蚀环境 配套体系 总干膜厚度/μm 使用寿命/a 典型腐蚀环境
1 C1-C2，中低腐蚀 环氧富锌底漆 150-200 >20 大气污染较低；大部分乡村地带；未加热的地方，如库房、体育馆等
环氧云铁厚浆中涂漆
氟碳面漆
2 C3-C4，中高腐蚀 无机硅酸 200-280 >20 城市和工业大气中等污染；高盐度工业区和沿海区域等
富锌底漆
环氧铁红封闭漆
环氧云铁厚浆中涂漆
氟碳面漆
3 C5-I，C5-M高度腐蚀 电弧喷铝 320-400 >25 适用于腐蚀环境十分恶劣的钢结构防腐
环氧铁红封闭漆
环氧云铁厚浆中涂漆
氟碳面漆
    2.2　大气腐蚀环境和防腐涂层分类
    按照ISO12944钢结构防腐涂料国际标准，根据腐蚀类别的不同，大气腐蚀环境共分为6类；根据腐蚀环境、使用寿命和涂膜厚度的关系，防腐涂料系统按涂层的耐久性分为3类，即低：2-5a；中：5-15a；高：大于15a。IS012944腐蚀环境划分见表2；ISO12944腐蚀环境、使用寿命和涂膜厚度的关系见表3。
　　表2　ISO12944腐蚀环境划分
腐蚀环境 材料损失(第1年暴露后) 典型应用环境
低碳钢 锌
质量损失/g?m-2 厚度损失/μm 质量损失/g?m-2 厚度损失/μm
C1很低 ≤10 ≤1.3 ≤0.7 ≤0.1 
C2低  10-200 1.3-25.0 0.7-5.0 0.1-0.7 大气污染较低，大部分是乡村地带
C3中  200-400 25-50 5-15 0.7-2.1 城市和工业大气，中等的二氧化硫污染，低盐度沿海区域
C4高  400-650 50-80 15-30 2.1-4.2 高盐度的工业区和沿海区域
C5-I很高(工业)  650-1500 80-200 30-60 4.2-8.4 高盐度和恶劣大气的工业区
C5-M很高(海洋)  650-1500 80-200 30-60 4.2-8.4 高盐度的沿海和近岸地带
　　表3  ISO12944腐蚀环境、使用寿命和涂膜厚度的关系
腐蚀环境 使用寿命 干膜厚度/μm
C2 低 80
中 150
高 200
C3 低 120
中 160
高 200
C4 低 160
中 200
高 240(含锌粉)
280(不含锌粉)
C5-I，C5-M 低 200
中 280
高 320
    2.3　钢结构氟碳重防腐配套涂层体系研究的工艺技术路线
    图1(略)给出氟碳重防腐配套涂层体系研究工艺技术路线。
    2.4　试验结果与讨论
    试验过程中，通过选择合适的氟碳面漆、底漆、封闭漆、中涂漆进行各项性能检测，结果表明，设计的3套钢结构氟碳重防腐配套方案各项性能技术指标都能达到配方设计要求。
    2.4.1　溶剂型氟碳面漆选择
    溶剂型氟碳涂料具有高装饰性、高耐候性、环境屏蔽和一定的机械强度，作为防腐涂层面漆使用具有优异的综合理化性能。国内市场通用的溶剂型常温固化氟树脂普遍以三氟氯乙烯与乙烯基酯为主要聚合反应单体，基于三氟氯乙烯和乙烯基酯竞聚率的关系以及检测分析发现，在树脂共聚链段中存在着部分乙烯基酯的均聚链段，这部分链段在太阳光长时间照射下易发生降解和光水解，对涂层耐候性产生不良影响。
    通过对比，选用以三氟氯乙烯与乙烯基醚为基体的常温固化氟树脂，由于乙烯基醚单体中醚键的存在，使共聚树脂容易形成三氟氯乙烯与乙烯基醚A-B-A-B交替共聚结构，这样在共聚链段中乙烯基醚单体可以被三氟氯乙烯单体中的氟碳键很好地保护起来，使合成共聚树脂具有超长的耐蚀耐候性。三氟氯乙烯与部分乙烯基醚和乙烯基酯单体共聚时的竞聚率见表4，三氟氯乙烯与乙烯基醚单体为基体常温固化氟树脂结构示意见图2(略)。
　　表4　三氟氯乙烯与部分乙烯基单体共聚合时的竞聚率值
单体 γ1 γ2 γ1×γ2
醋酸乙烯酯(VAc) 0.012 0.65 1.8×10-3
环己基乙烯基醚(CHVE) 0.003 0.04 1.8×10-4
苯甲酸乙烯基酯(VB) 0.016 1.50 2.4×10-2
    注：γ1表示三氟氯乙烯单体竞聚率；γ2表示乙烯基单体竞聚率。
    从上述分析可以看出，由于不同氟树脂结构本身存在的差异性，使得三氟氯乙烯与乙烯基醚单体共聚常温固化氟树脂相比于三氟氯乙烯与乙烯基酯共聚氟树脂具有更加优异的综合理化性能，2种不同类型FEVE氟树脂及涂料典型的理化性能比较见表5。
    2.4.2　底漆和封闭漆选择
    底漆要防止水等腐蚀性介质腐蚀，目前钢结构防腐蚀工程涂装底漆都采用富锌涂料。富锌涂料防腐机理是：在腐蚀前期，通过锌粉的溶解牺牲对钢铁起到阴极保护作用；在后期，随着锌粉腐蚀，在锌粉颗粒中间沉积许多腐蚀产物，这些致密而微碱性腐蚀产物不导电，填塞颜料层，阻挡腐蚀因子透过，由屏蔽作用而起到防腐蚀效果。
    富锌涂料分为无机和有机两大类：有机富锌涂料以环氧树脂为基料，环氧树脂具有优良的耐水性和耐化学性(耐酸、耐碱)，附着力特别好。无机富锌涂料使用碱性硅酸盐、硅酸烷基酯为基料。
    为了确保富锌涂料中锌粉同钢铁能紧密结合而起到导电和牺牲阳极的作用，对富锌涂料中锌粉含量占干膜总质量的百分比，美国钢结构涂装协会(SSPC)SSPCPaint-20中规定：无机富锌涂料中锌粉不少于74%，有机富锌涂料中锌粉不少于77%。有机富锌涂料中锌粉含量之所以偏高，是由于其导电性较无机富锌涂料差所致。
    有机富锌涂料因其对金属表面处理要求不太高、施工受环境影响小等特点，在普通钢结构重防腐领域中得到广泛应用。无机富锌涂料对金属有极好的附着力和防锈作用，在导电性、耐热性、耐溶剂性、防锈性等方面都要优于有机富锌涂料。由于无机硅酸锌底漆中富含锌粉，其成膜后孔隙率较大，直接涂厚浆型涂料时，就会使孔隙中的空气透过涂膜逸出，造成针孔现象，为此施工时要采用渗透力强的环氧类封闭漆薄喷25-30μm，迫使空气逸出。
　　表5　2种不同类型氟树脂及涂料典型性能技术指标比较
项目 技术指标
三氟氯乙烯与乙烯基醚单体共聚氟树脂 三氟氯乙烯与乙烯基酯单体共聚氟树脂
树脂性能 外观 无色或淡黄色透明液体，无机械杂质 无色或淡黄色透明液体，无机械杂质
黏度(涂-4杯，23℃)/s ≥100 50-70
质量固体含量/% ≥50 ≥50
体积固体含量/% ≥44 ≥44
氟含量/% ≥25 ≥21
羟值(固体)/mgKOH?g-1 25±5 35±5
酸值(固体)/mgKOH?g-1 3±2 6±2
涂料性能 弯曲性能/mm ≤1 ≤1
耐冲击性/cm 50 50
附着力(拉开法)/MPa ≥10 ≥10
耐碱性(10%氢氧化钠，10d) 涂层无异常 涂层无异常
耐酸性(10%硫酸，10d) 涂层无异常 涂层无异常
三氯乙烷(10d) 涂层无异常 涂层完全脱落
丙酮(10d) 涂层无异常 涂层完全脱落
耐盐雾(白高光) 5000h涂层无异常 2000h涂层无异常
耐人工加速老化性能(QUV) 5000h漆膜无明显变色，无粉化，无起泡，无裂纹，保光率≥80% 3000h漆膜无明显变色，无粉化、无起泡、无裂纹，保光率≥80%
    在腐蚀环境十分恶劣的工业大气和海洋腐蚀环境中，对金属基材还要进行电弧喷铝和喷锌处理，以达到更好的阴极保护和屏蔽效果，由于电弧喷铝层孔隙率大，在涂中涂漆前要预先喷涂1道渗透力强的环氧封闭漆。一般认为喷铝层在180～200μm，同时配套使用普通涂层就可以达到近20a的防腐寿命。
    2.4.3　中涂漆选择
    中涂漆改善上下涂层附着力，缓和上下涂层由于物性不同而造成的影响，提高涂层厚度。试验选用环氧厚浆云铁涂料，1道喷涂于膜厚度80～100μm，具有层间附着力强，封闭性好，可隔绝空气中水气对基层的渗入等特点。
    另外，环氧云铁中涂漆中包含的云母氧化铁对太阳紫外线具有反射作用，加上云母氧化铁会在涂料表面形成一定的粗糙面，作为中涂漆具有长期重涂性。
    2.4.4　3套氟碳重防腐配套涂层体系人工加速老化试验结果
    3套氟碳重防腐配套涂层体系人工加速老化试验结果见表6。
　　表6　3套氟碳防腐配套体系人工加速老化试验结果
编号 试验时间/h 保光率/% 变色/级 粉化 起泡
技术指标 检测结果 技术指标 检测结果 技术指标 检测结果 技术指标 检测结果
配套1 5000 ≥80.0 84.6 ≤2 1 无 无 无 无
配套2 5000 ≥80.0 85.2 ≤2 1 无 无 无 无
配套3 6000 ≥80.0 81.3 ≤2 2 无 无 无 无
    注：老化试验检测方法按照GB/T1865-1997规定进行。
    3　结语
    选用氟碳防腐配套体系应用于钢结构，既有效地解决了钢结构建筑长效防蚀耐候问题，又能使钢结构建筑长期保持清洁美观。在使用该涂装配套体系的基础上，正确运用表面前处理技术，规范涂装工艺施工方法，加强质量检测和管理工作，可使钢结构建筑防腐蚀技术达到较高水平。从环保角度考虑，使用钢结构氟碳重防腐配套涂层体系，能减少对钢结构建筑的维护和重涂费用，节约社会资源和能源，减少环境污染。