表面容忍性涂料的应用和性能评定

表面容忍性涂料的应用和性能评定

杨亚良 ( 海虹老人牌(昆山)有限公司,215321)
马胜军 ( 中海油常州涂料化工研究院,213016)

0 引言
一般新建钢结构,尤其是防腐要求高的钢结构的涂层保护,为了达到预期的保护寿命,要求对钢结构表面进行彻底处理。IMO(国际海事组织)颁布的海水压载舱涂层性能标准(PSPC),从涂料的质量认可、涂料施工和涂层检测的各环节作出了规范要求。为了达到涂层的预期寿命,涂装前钢结构的表面处理最为关键,要求一次表面处理达Sa 2.5 级,全面或局部粗糙度为30~75 μm,水溶性盐总量(以NaCl计)≤ 50 mg/m2 ;合拢后大接缝处表面处理为St 3 级,或若可行时为Sa 2.5 级;小面积破坏处表面处理为St 3 级。这是强制性涂层性能标准对表面处理的要求,也是一种理想的新建钢结构的表面处理状态。涂装前钢结构的表面处理要求与涂料的品种、应用场合、涂层预期寿命、施工现场条件等相关,例如户内使用的醇酸漆喷砂达Sa 2 级即可涂装,而压载舱内涂装的环氧漆要求喷砂达Sa 2.5 级才能施工。再如新建钢结构在建造场地施工,可以提供更好的施工条件,而旧涂层维修达不到理想状态,一般对底材的处理要求降低,涂层的预期寿命也降低,涂料的润湿性和渗透性就显得更加重要。为了使旧涂层维修达到目标寿命,对底材的处理亦有严格要求,如MSC.1/Circ.1330“保护涂层维护和修理导则”规定:涂层状态由“一般”或“较差”恢复到“良好”,而且涂层目标寿命达到10 a。那么,涂层状态“一般”的表面处理应达到St 3 级或Sa 2.5 级;涂层状态“较差”的表面处理应达到Sa 2.5 级,水溶性盐总量不能超过80 mg/m2,干膜厚度250 μm。与新建钢结构比较,水溶性盐总量由50 mg/m2 放宽到80 mg/m2,这也可以看作涂层维修时的理想表面状态。喷砂达Sa 2.5 级,局部打磨达St 3 级这种彻底的表面处理,获得理想的表面状态有时是不可行的,例如船舶维修采用高压水喷射处理会产生潮湿或轻度生锈表面。在未彻底处理的表面上进行涂层保护,其防腐效果一般不理想。而表面容忍性涂料可在未彻底处理的基材表面上进行涂装,提供施工条件和防腐效果的均衡,具有广阔的应用领域和发展前景。

1 表面容忍性涂料的作用机理
按防锈机理,防锈涂料可分为物理防锈漆(阻隔涂料)、化学防锈漆(锈蚀抑制涂料)、电化学防锈漆(富锌涂料)。表面容忍性涂料可视为阻隔涂料和锈蚀抑制涂料。
阻隔涂料主要阻碍水蒸气、氧气和离子传输到基材、涂层界面。树脂基料和颜料的选择对于达到良好的阻隔性能非常重要。双组分环氧树脂和聚氨酯具有优良的阻隔性能;片状颜料,如片状铝粉、云母、玻璃鳞片、云母氧化铁可以提高表面容忍性涂料的阻隔性能。使用片状颜料的两种常用的表面容忍性涂料分别是改性环氧涂料和湿固化聚氨酯涂料。环氧煤沥青涂料具有良好的防腐性和表面容忍性,曾在防腐涂料中广泛使用,但由于煤沥青可能存在致癌物,因此采用漂白沥青来制备改性环氧树脂涂料。广泛使用的市售改性环氧涂料有Juton mastic 87,Nu Forte、Ameron 400、Sigmacover 620、Interseal 670HS。改性环氧涂料具有良好的表面容忍性,但涂层的耐热性和耐化学品性相对差些。
锈蚀抑制涂料主要是醇酸树脂涂料和水性丙烯酸涂料。市场上有各种各样的缓蚀防锈颜料,其防锈机理各不相同。国内外20 世纪70 年代开发了许多带锈底漆,就是表面容忍性涂料的一类。

2 表面容忍性涂料的应用
表面容忍性涂料主要用于除锈不彻底的锈蚀表面(牢锈)、污染(油、无机盐、水)表面和旧漆膜表面的涂装,目前我国在船舶、石油石化、电厂等领域有一定的应用。铁锈是一种疏松多孔的含水固体,表观结构可分为内外两层,外层是浮锈,疏松易脱落;内层是牢锈,与底材结合紧密且紧靠钢铁表面呈群落分布。生锈的基材应至少手工除锈到涂装的最低要求。在涂装锈蚀钢铁时,硫酸盐和氯化物的存在往往成为限制因素。研究表明:氯化物浓度大于500 mg/m2 或者硫酸盐浓度大于1 000 mg/m2 时会使涂层起泡;可溶性盐类浓度过高可能会导致涂层过早失效。表面容忍性涂料对锈层具有足够的渗透能力,可以充分润湿、渗透整个锈层,将锈层包覆形成连续的封闭性涂层,而且能够与锈层中活泼的、有害的铁化物反应,使之转化为稳定的无害填料。表面容忍性涂料常用于因可溶性盐、石油产品和水分存在而损坏的基材表面,如工业大气腐蚀的表面可能存在硫酸亚铁,石油存储设施可能存在油污。一般来说,油脂不能被涂料吸收或去除,应该尽量避免在油脂污染的表面上涂装,不然将影响附着力和涂膜的完整性。即使某些涂料能吸收油脂成膜,在涂装前也应该用溶剂清洗掉油脂。最新的研究表明,表面容忍性涂料大部分都与特定的污染物兼容,但对混合的污染物不一定兼容。
相对于喷砂处理,高压水喷射处理能更迅速彻底地去除硫酸亚铁,过量的水和油脂。应用干净的抹布尽可能地把可见的水抹干,或通过亲水性溶剂和聚合物,有效地取代出水。为适应高压水喷射表面处理,新一代的环氧防腐涂料强化了对高压水喷射处理的适应性,具有较好的表面容忍性。表面容忍性涂料也可以用于旧涂层复涂,在这种情况下最主要的问题是涂层间的兼容性,它必须与原有的涂层有良好的层间附着力,同时要防止对旧涂层的咬起,避免破坏原有涂层对基材的附着力。

3 表面容忍性涂料的性能评定
环氧、聚氨酯、醇酸、沥青、水性乳液都可用于制备表面容忍性涂料。表面容忍性涂料在研制和应用中要对其性能进行评定,由于表面容忍性涂料品种的多样化,因此没有统一的标准和方法。
陈贻明把喷砂板用自来水浸湿后放置24 h 左右,让其充分返锈,分别在干燥和湿润的返锈钢板上喷涂普通环氧涂料、Nu Forte 涂料、Nu Forte DX 涂料,通过300 h 和600 h 的盐雾试验,评定涂料的附着力、起泡和锈蚀性能。喷砂板上喷涂110~120 μm 环氧沥青漆Eposeal 6000 PS,户外曝晒45 d,再分别在曝晒板上喷涂普通环氧涂料、Nu Forte 涂料、Nu Forte DX涂料,通过划格附着力来评定涂层性能。结果表明,Nu Forte 涂料、Nu Forte DX 涂料可以在低处理表面和高湿度下进行涂装,具有良好的防腐性,也可以直接在焦油环氧沥青等旧漆膜表面进行修补涂装,并有较高的层间附着力。美国海军的某舰船在海岛上建造,船厂对表面容忍性涂料体系能否提供与标准的环氧涂料同等或更好的长期保护(依据美国军用标准MIL—DTL—24441),以及表面容忍性涂料体系与现有涂层体系的配套性感兴趣。KTA(美国Konstan 实验室)承担了表面容忍性涂料体系评定方案的设计和执行。KTA制备了3 种类型试板(含铁锈、氯化物、油污染),试板分别用标准的环氧涂料和表面容忍性涂料涂装。涂层经过ASTM B 117 的2 000 h 盐雾试验,然后采用生锈、起泡、划线腐蚀来进行评定。此外,KTA 把标准环氧涂料涂覆在良好表面处理的试板上,试板经过人工老化后分别涂覆4 种表面容忍性涂料,试板经过30 次热循环,通过划格法和拉开法评定表面容忍性涂料的附着力。

NACE(美国腐蚀工程师协会)Standard TM0104“海上平台结构压载水舱涂层体系的评估”给出了维修涂层的评定方法。试样在3 种表面处理的钢板上制备:喷砂板(NACE No.1 或高压水喷射处理),氯化物浓度100 mg/m2 钢板(在76 mm×150 mm 已经处理的钢板上涂0.5 mL 浓度为3.82 g/L 的氯化钠水溶液)和潮湿钢板(已经处理的钢板浸入自来水,然后用湿布擦除可见水)。与新建钢结构的涂层仅在喷砂板上进行评定相比,维修涂层的评定多了氯化物浓度100 mg/m2 钢板和潮湿钢板两种样板,重点考察了涂料在非理想表面处理钢板上的防腐性能。防腐性能的评定包括耐海水浸泡、耐阴极剥离性和湿/ 热循环试验,试验周期在12 周,考察划线处或开孔处的腐蚀蔓延。如果用GB/T 7790《暴露在海水中的涂层耐阴极剥离性能的测定》来检测涂层的耐阴极剥离性,试验的参比样板就可作为TM0104 中的耐海水浸泡样板。NACE Standard TM0104 的维修涂层的评定还包括边缘覆盖性,用来考察涂装性能,以及尺寸稳定性、时效稳定性、厚膜开裂试验,用来考察涂膜的机械稳定性。
H.Vold. 在无机锌车间底漆试板、干燥的预生锈试板以及潮湿的预锈蚀试板上,分别涂覆环氧沥青涂料、高固体分环氧涂料、无溶剂环氧涂料、表面容忍性环氧涂料和非环氧类防腐涂料制成试验样板,采用模拟压载舱试验和冷凝舱试验(见GB/T 6823)来评定涂料性能。有车间底漆的钢板,喷砂达Sa 2.5 级,喷涂25 μm 硅酸锌车间底漆,户外放置14 d,再用自来水清洗,然后干燥。预生锈的钢板,喷砂钢板放在盐雾箱内18 h,再干燥6 h,共经4 个循环,每次循环前钢板用钢丝刷清洁,在喷漆前,预生锈钢板也要用钢丝刷清洁,并用水冲洗,再干燥。预生锈钢板上涂层的测试时间为60 d,有车间底漆钢板上涂层的测试时间为180 d,评定标准见表1。
表1 涂层评定标准

从12 个涂料生产厂家中选取44 种涂料在有车间底漆的钢板上进行测试,有29 种涂料产品达到了最高的B1 等级。其中9 个表面容忍性环氧涂料全部达到B1 级,8 个煤焦油环氧涂料样品中有6 个达到B1级,5 个无溶剂环氧涂料样品中有3 个达到B1 级,13个高固体分环氧涂料样品中有6 个达到B1 级,4 个漂白沥青环氧涂料样品中有2 个达到B1 级,5 个非环氧涂料样品中有3 个达到B1 级。测试结果表明,波浪舱中冷壁板和冷凝箱中样板上的起泡主要由涂料类型决定,较差的耐湿性是起泡的主要原因。从15 个生产厂家,选取30 种涂料在预生锈的试板上进行了测试,仅有4 种产品达到B1 等级,两种无溶剂涂料评级分别为B4 和B5,仅有1 种高固体分(体积固体分>80%)涂料达到B2 级。煤焦油环氧涂料被认为是对压载舱具有最好防腐蚀效果的涂料。波浪舱中冷面试板和冷凝箱内试板的起泡,与涂料类型有很大关系。预生锈试板上的盐分浓度和涂层的耐湿性较差可能是起泡的主要原因。此外,把预生锈钢板打湿,用6 种涂料在潮湿生锈的钢板上进行了测试。其中4 种涂料产品(无溶剂环氧涂料、高固体分环氧涂料、表面容忍性环氧涂料和水性聚氨酯涂料)各一种达到B1 级。

4 结语
相对于彻底的表面处理(喷砂达Sa 2.5 级,局部打磨达St 3 级),表面容忍性涂料对表面处理的要求适当降低。由于降低了表面处理要求,用于新建钢结构,可减少表面处理所耗费的人力与物力;用于旧涂层的维修,能提高涂料的表面适应性。虽然从表面处理来说,表面容忍性涂料要求可以放宽,但使用时同样会受到一定的限制,它们必须满足使用时的表面条件,涂层过早失效是由于对表面容忍性涂料不切实际的期望。锈蚀、污染和旧涂层表面状态复杂,表面容忍性涂料要有针对性。最新的研究表明,表面容忍性涂料大部分都与特定的污染物兼容,但对混合的污染物不一定兼容。表面容忍性涂料的评定借助原有涂层体系的性能要求、试验设备和评价方法,评价试板模拟特定环境(锈蚀、潮湿或油污表面上涂覆防护涂料)制备,采用湿热、盐雾、多因素循环试验、海水浸泡等方法,通过附着力、腐蚀蔓延、物理性能劣化等一系列性能的测试来评定表面容忍性涂料。

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