鋅粉粒徑對水性車間底漆耐蝕性的影響

閻樂樂 ，吳建華 ，楊名亮

（1.中國船舶重工集團第七二五研究所，河南洛陽 471023；2.集美大學，福建廈門 361021；3.廈門雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門 361101）

0 引言

車間底漆［1-2］，又稱鋼材預處理底漆或保養底漆，是鋼材經拋丸預處理除銹后在流水線上涂裝的一種起臨時保護作用的快干底漆。車間底漆歷經聚乙烯醇縮丁醛車間底漆（PVB）、環氧富鋅車間底漆和無機硅酸鋅車間底漆等發展階段［3-5］。目前，溶劑型無機硅酸鋅車間底漆［6-7］以其附著力強、機械性能優良、耐熱性好等特點成為車間底漆的主要品種；但其固體分低，VOC（揮發性有機化合物）含量高達600～700 g/L，對環境和工人的健康帶來較大的危害。

基于硅酸鹽技術發展起來的水性無機硅酸鋅車間底漆［8-10］以其優異的耐腐蝕性能及零VOC排放等特點受到了廣泛的關注。水性無機硅酸鋅底漆主要由硅酸鹽和鋅粉組成，其防腐機理主要依賴鋅粉對鋼材的陰極保護作用，因此鋅粉是影響其涂層性能的重要因素之一。

陳吉等［11］探究了球狀和片狀鋅粉對涂層及其復合涂層重防腐蝕性能的影響。婁三剛等［12］在保持鋅粉總量不變的前提下，研究了片狀鋅粉（0～100%）取代球狀鋅粉對涂層失效過程的影響。梁正彥等［13］探究了球狀鋅粉（5%～20%）取代片狀鋅粉對涂層陰極保護作用的影響。Marchebois等［14］研究了鋅粒形態對涂層耐蝕性的影響，結果表明：片狀鋅粉具有較大的徑厚比，它的加入提高了涂層的屏蔽性能，提升了涂層的陰極保護性能。Zhang等［15］研究了片狀鋅（鋁）粉部分取代球狀鋅粉對涂層耐蝕性的影響，結果表明：片狀鋅（鋁）粉取代比約為25%時，其涂層的耐腐蝕性能最優異。

上述所提的文獻中主要側重于鋅粉形狀和含量對涂層性能的影響，而關于球狀鋅粉粒徑的研究較少。鑒于此，本研究以4種球狀鋅粉為研究對象，保持涂層中鋅粉總含量相同的情況下，通過對涂層開路電位（OCP）的研究，結合掃描電子顯微鏡（SEM）以及中性鹽霧試驗，探究球狀鋅粉粒徑對水性車間底漆耐蝕性的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

改性硅酸鉀水溶液，自制；500目、800目鋅粉，湖南；600目、1 000目鋅粉，江蘇；分散劑，海明斯；消泡劑，畢克；水性有機膨潤土，海明斯。鋅粉的規格與化學成分見表1。

表1 鋅粉的規格與化學成分Table 1 Specification and chemical composition of zinc powder

1.2 涂料配制

水性車間底漆由甲乙兩個組分組成，其配方設計見表2。

表2 水性車間底漆的配方設計Table 2 The formula design of waterborne shop primer

按照表2配方量向改性高模數硅酸鉀水溶液中緩慢加入水性有機膨潤土，高速攪拌，分散均勻后再緩慢加入分散劑和消泡劑，低速攪拌混合均勻，制得乙組分。甲乙組分分開包裝，使用時按照1∶1的質量比分別稱取，將甲組分緩慢加入乙組分中，低速攪拌10～30 min，放置待噴涂。

1.3 樣板制備

試驗樣板采用噴砂至Sa 2.5級的Q235-A碳鋼，鋼板厚度為2 mm，采用空氣噴涂，空氣壓力0.7 MPa，控制涂膜厚度在20 μm左右；然后在相對濕度50%～70%的條件下，自然干燥固化24 h。

1.4 性能測試

開路電位（OCP）測量：將試樣置于3.5%NaCl溶液中，定期測量體系的開路電位值，電解液置于固定在涂層表面的試管中，被測面積為8 cm2，以Ag/AgCl電極為參比電極。

耐鹽霧試驗：參照ASTM B 117—2011測試漆膜的耐鹽霧性能。

掃描電鏡（SEM）分析：采用掃描電子顯微鏡觀察鋅粉和涂層的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 開路電位（OCP）

無機硅酸鋅車間底漆的防腐機理主要是金屬鋅作為犧牲陽極，對鋼板基材提供陰極保護作用，而這種保護只有在樣板基材與活性鋅粉之間形成導電通路時才能發揮作用。在本研究中測得的開路電位是Q235-A碳鋼樣板和活性鋅粉的混合電位，其數值主要取決于二者的面積比。若與基材形成導電通路的鋅粉面積大于基材面積，那么混合電位將接近于鋅粉自身的電極電位；反之則混合電位將接近于基材自身的電極電位。當與基材形成導電通路的活性鋅粉數量降低時，車間底漆樣板的混合電位會發生正偏移，即向陰極偏移直至趨近樣板基材的電位。而這種電位正移現象可以解釋為提供陰極保護作用的活性鋅粉的整體性消耗，或者是腐蝕產物的產生導致部分具有反應活性的鋅粉與基材的絕緣［16］。

4種含不同粒徑鋅粉的涂層在3.5% NaCl溶液中浸泡80 d后的開路電位的測試結果如圖1所示。從圖1中可以看出，4種規格鋅粉涂層的開路電位的總體趨勢是向上正偏移，即向陰極偏移，并逐漸趨近于樣板基材自身的電極電位。從涂層開路電位整體的變化趨勢可將其分為2類：第1類是500目和600目鋅粉，OCP從-1.01 V逐漸上升至-0.64 V附近；第2類是800目和1 000目鋅粉，OCP從-1.00 V逐漸正移至-0.64 V附近。

第1類涂層經歷了3個階段：第1階段（0～5 d），OCP由-0.96 V逐漸下降至-1.01 V附近，此階段電解液穿透涂層開始潤濕基材表面，涂層中具有反應活性的鋅粉被激活；第2階段（5～55 d），OCP迅速向陰極偏移，其正偏移速率基本保持不變，此階段鋅粉對基材提供陰極保護作用，逐漸被消耗；第3階段，55 d之后，OCP維持在-0.64 V附近，混合電位趨近于鋼板基材自身的電極電位，此階段具有反應活性的鋅粉顆粒基本被消耗完全，涂層失去陰極保護作用。

第2類涂層也經歷了3個階段：第1階段（0～10 d），電位快速上升，此階段電解液潤濕鋼板基材，能與基材形成導電通路的活性鋅粉被激活，對基材開始提供陰極保護作用，被快速消耗；第2階段（10～75 d），電位繼續正偏移，但正偏移速率變緩，此階段涂層中未被激活的活性鋅粉被逐漸激活，這樣使得鋅/鐵面積比增大，減緩了電位正偏移的速率；第3階段，75 d以后，電位維持在-0.64 V附近，趨近于鋼板基材自身的電極電位，涂層失去陰極保護作用。

圖1 含不同粒徑鋅粉的涂層在3.5% NaCl溶液中的OCP與浸泡時間的關系Figure 1 Relationship between OCP and soaking time of coating formed by zinc power with different particle size exposed in 3.5% NaCl solution

2.2 鋅粉的SEM分析

圖2和表3分別是4種涂層所用鋅粉的表面微觀結構和粒徑參數。由圖2可見，鋅粉大部分呈規則的球狀，不規則形狀和表面缺陷的鋅粉較少。鋅粉在制備過程中采用標準目數的篩網進行篩分，因此其平均粒徑會比篩網標準孔徑小。相同放大倍數下4種鋅粉的對比發現：500目鋅粉中粒徑超過15 μm（車間底漆膜厚15～20 μm）的顆粒數量最多，粒徑分布較寬；1 000目鋅粉中基本沒有粒徑超過15 μm的顆粒，粒徑分布集中；600目和800目鋅粉則介于二者之間。

圖2 不同粒徑鋅粉的SEM照片Figure 2 The SEM photo of zinc power with different particle size

2.3 涂層的SEM分析

涂層的SEM照片如圖3所示。由圖3可見，球狀鋅粉制備的涂層表面由粒徑大小不一的顆粒重疊組成，粒徑較小的鋅粉無序地分布在粒徑較大的鋅粉的表面和縫隙中，顆粒之間由改性硅酸鉀水溶液固化形成的無機硅氧高分子填充；一般富鋅漆中鋅粉含量較高，PVC（顏料體積濃度）要遠大于CPVC（臨界顏料體積濃度），因此其涂層表面呈多孔狀。相同放大倍數下對比涂層表面的孔隙可以發現，隨著鋅粉粒徑的減小，其涂層表面的孔隙減少，孔隙的直徑變小，鋅粉在涂層中的分布更均勻，能夠形成導電通路的有效鋅粉更多，陰極保護效果更好。

圖3 含不同粒徑鋅粉的涂層的SEM照片Figure 3 The SEM photo of coating formed by zinc power with different particle size

2.4 鹽霧試驗

對每種涂層分別取3個試樣進行中性鹽霧試驗，每個試樣取8個點測量涂層厚度，取平均值，相應的鹽霧試驗結果見表4。

表4 中性鹽霧試驗結果Table 4 Neutral salt spray test results

由表4可以看出，含500目鋅粉的涂層出現紅銹的時間最早，含1 000目鋅粉的涂層出現紅銹的時間最晚，說明含1 000目鋅粉的涂層的耐腐蝕性能最好。從中性鹽霧試驗結果可以發現，涂層鋅粉含量相同的情況下，鋅粉粒徑越小，其涂層的耐腐蝕性能越優異。鋅粉粒徑較大時，隨其粒徑減小，其涂層的耐腐蝕性能顯著提高，此時鋅粉粒徑對涂層的耐腐蝕性能影響較大；而鋅粉粒徑較小時，進一步降低鋅粉粒徑，其涂層的耐腐蝕性能提升較小，此時鋅粉粒徑對涂層耐腐蝕性的影響較小。

3 結語

（1） SEM結果表明：鋅粉粒徑會影響涂層成膜后的表面微觀形貌。鋅粉粒徑越小，其涂層表面的孔隙越少，孔隙直徑越小，鋅粉在涂層中的分布更均勻，能夠形成導電通路的有效鋅粉數量更多，陰極保護效果更好。

（2） OCP和中性鹽霧試驗結果表明：涂層鋅粉含量相同的情況下，鋅粉粒徑越小，其涂層耐腐蝕性能越優異。鋅粉粒徑較大時，隨其粒徑減小，其涂層的耐腐蝕性能顯著提高，此時鋅粉粒徑對涂層耐腐蝕性能的影響較大；而鋅粉粒徑較小時，進一步降低鋅粉粒徑，其涂層的耐腐蝕性能提升較小，此時鋅粉粒徑對涂層耐腐蝕性能的影響較小。