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持久的外观装饰性:高性能防腐面漆的回顾,现代钢结构建筑的腐蚀防护问题,已经基本得到解决,钢结构建筑的外观装饰性显得越发重要起来
2019年11月15日    阅读量:2332     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

0 前言

高性能防护涂料必须能抵抗太阳射线、雨雪、冰雹、露水、冻融,底材的膨胀收缩、化学烟雾、灰尘粒子的沉降,以及干湿交替等,这些都是日常的基本考验。为了有很好的耐候性能,涂料系统的面漆必须经受以上这些环境,在相当的年限中,要体现其经济性,不能有过度的粉化、细裂、剥落、起泡,附着力缺陷或者本色与外观的变化。对于公共设施来说,装饰性显得非常重要中国机械网okmao.com


钢结构重防腐涂料系统中的面漆是整个涂料系统的第一道屏障,而且色彩和光泽对于提升整个钢结构建筑的外观形象起到了非常重要的作用。豪华游轮、体育场馆、机场、储罐和桥梁等钢结构表面的防腐蚀涂料系统,除了防腐蚀,另一个特性就是外表的美观,能更多地吸引人们的注意力,其光泽和色彩要能够维护相当长的一段时间。在这篇文章里,介绍了醇酸面漆、丙烯酸面漆、环氧面漆、聚氨酯面漆、含氟聚合物面漆和聚硅氧烷面漆在钢结构中的应用。


1 醇酸面漆

1.1 传统醇酸面漆

醇酸面漆是一种单组分的经济性的长油度有光面漆,可以调出多种色彩,具有良好的初始光泽,并且具有良好的重涂性能。作为一种经济性的容易维护保养的装饰性面漆,醇酸面漆广泛用于钢结构表面。需要注意的是,在很多地区,如美国、澳大利亚、韩国和南非等,由于涉及到涂料中含铅问题,含铅催干剂将不能在醇酸面漆中使用。


醇酸面漆的体积固体分在48%左右,通常可以涂覆到40 μm 的干膜厚度,约等于85 μm 的湿膜厚度。醇酸面漆的干燥通过溶剂的挥发和氧化反应来完成。要避免单道涂层涂覆过厚,否则会引起干燥和起皱的问题。很多用户投诉说醇酸面漆干燥太慢,通常是因为涂覆过厚所造成的。醇酸面漆与醇酸底漆配合使用,用于乡村环境或干燥室内环境,可以保持10~20 年的使用寿命。


必须注意的是,暴露于紫外线下,醇酸面漆会粉化黄变,不过在大多数情况下,它的外表耐久性比环氧面漆要好得多。不同的颜色选择,醇酸面漆的初始光泽和光泽保持性会有一定的差异。


1.2 有机硅醇酸面漆

有机硅醇酸面漆,与其它涂料相比,有着很好的户外耐久性能,失光变色和粉化等程度要轻得多。有机硅醇酸面漆与纯醇酸树脂面漆相比,在耐候性和耐热性方面有了很大的提高。干性油醇酸树脂中的活性羟基与硅树脂中间体的羟基进行反应,用化学的方法使醇酸树脂和硅树脂两者共聚。有机硅醇酸面漆的性能与配方中硅树脂与醇酸树脂的比例有直接关系。由于其改良的性能,有机硅醇酸树脂面漆在工业和船舶行业的应用相当多。厚浆型有机硅醇酸面漆用30% 的硅树脂进行改性,体积固体分达62%,VOC 含量低至305 g/L,能够一道喷涂达到75 μm 的干膜厚度。


2 环氧面漆

环氧面漆为双组分,聚酰胺固化涂料,可以调配出多种颜色供选用。环氧面漆可以用作大多数高性能防腐蚀涂料系统之上的坚韧面漆,而无须高装饰性的场合。环氧面漆有着良好的耐磨性能而且耐化学品泼溅,但是耐化学品的程度与化学品接触涂层的时间长短以及化学品的多少有很大关系。少量的化学品泼溅会很快挥发,大量的化学品则会在表面积聚,导致其涂膜变色泛白。


大多数传统的环氧面漆,有着相对良好的初始光泽,但是暴露于阳光下,涂层表面会由于紫外线的作用而老化,导致表面呈现粉末状,仅有很好的光泽,这种效应称之为“粉化”。用户必须了解环氧面漆在阳光下不能保持良好的光泽和色彩,不能象其它类型的面漆,如聚氨酯或丙烯酸涂料那样具有良好装饰性。因此,环氧面漆只推荐应用于室内环境。


3 丙烯酸面漆

3.1 传统丙烯酸面漆

在丙烯酸面漆之前,涂料生产商主要生产氯化橡胶装饰性面漆。氯化橡胶的制造过程中产生大量四氯化碳,欧洲的法规对这种物质的使用进行了限制。与此同时,丙烯酸树脂生产大量过剩,导致其价格跌落很大,因此,丙烯酸树脂面漆开始取代了氯化橡胶面漆的应用。丙烯酸面漆可以作为户外钢结构的装饰性面漆在低-5℃(23°F)的环境下应用。快干型、单组分,氯化石蜡改性的丙烯酸面漆,可以调配出多种颜色供选用。


丙烯酸面漆具有良好的光泽与颜色保持性,重涂性能突出。它是可重新溶解的,因此在自身重涂时有着很好的附着力。丙烯酸面漆的体积固体分通常只有33%,因此有着极高的VOC 含量,达到595 g/L。由于丙烯酸面漆是热塑性的,长时间接触温度时(大于40℃ /104°F),漆膜会软化凹陷,随着温度的降低,机械性能才会恢复。


3.2 环氧丙烯酸面漆

在要求不能喷涂含有异氰酸酯的聚氨酯面漆,对健康和安全特别注重的场合,环氧丙烯酸面漆可以用于大多数高性能防腐蚀涂料系统中,广泛用于基础设施,离岸平台,电厂和石化行业等。环氧丙烯酸面漆是高固体分,羧基化丙烯酸与环氧树脂交联的高性能面漆,其反应过程由丙烯酸链上的胺基所催化。


由于环氧和胺的同时存在,其耐久性能不如高质量的丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆那样好,在长期暴露于紫外线下时,耐黄变和光泽保持性相对要差一些。但是,却远远超过环氧树脂面漆和未改性的丙烯酸面漆。


因此,环氧丙烯酸面漆可以用作长效而不含异氰酸酯的面漆使用。进一步改良后的环氧丙烯酸面漆现在已经可以提供接近于典型的可覆涂聚氨酯面漆的长效耐久性。环氧丙烯酸面漆主要适用于要求达到可覆涂聚氨酯面漆的长效使用性能,而业主或加工制作厂又不允许使用异氰酸固化涂料的钢结构表面。


用于新建或维修时的使用,环氧丙烯酸面漆提供了良好的重涂性,能直接涂覆于大多数装饰性面漆表面和防腐蚀涂料体系上面。环氧丙烯酸面漆有着很好的施工性能,良好的早期耐水渍、耐湿气性能,可以在温度低到-5℃(23°F)时施工。


3.3 水性丙烯酸面漆

水性丙烯酸面漆有着安全而易于使用的特性,改性丙烯酸水性涂料技术可以提供良好的防腐蚀保护和耐磨性能,同时提供良好的耐候性能,挠曲性,耐水性和耐紫外线性能。水性丙烯酸面漆可以满足颜色稳定性的要求,很低的积灰程度,以及优异的耐黄变性能。由于水性丙烯酸面漆突出的保色保光性能,可以长期维持良好的视觉外观,无须经常重涂,大大降低了材料和施工方面的维护费用。


水性丙烯酸面漆具有良好的外观和坚韧的保护性能,兼有经济性和易于施工的性能。它可以在完全的水性系统表面作为面漆使用,也能用于某些溶剂型系统表面,形成混合型系统。当从旧的溶剂型涂料转化成水性涂料系统时无须昂贵的表面处理费用。水性丙烯酸面漆有着良好的附着力,与原有的醇酸、丙烯酸、乙烯、氯化橡胶、环氧或聚氨酯体系有着很好的相容性。水性丙烯酸面漆VOC 含量很低,约在100 g/L左右。


4 聚氨酯面漆

大量富锌底漆(无机富锌或环氧富锌),厚浆型环氧涂料和聚氨酯面漆的高性能涂料体系已经可以提供15 年以上的长效防腐性能。作为面漆涂层,聚氨酯涂料有着优良的保色保光性能和耐化学品性能。聚氨酯面漆为双组分,羟基丙烯酸聚氨酯与脂肪族异氰酸酯固化反应,作为装饰性面漆和高性能防腐涂料体系配合用于需要高光泽,高耐久面漆的场合。


聚氨酯面漆与其它面漆,如环氧,单组分丙烯酸和醇酸面漆等相比,有着突出的光泽保持性能。但是,聚氨酯面漆还达不到含氟聚合物和聚硅氧烷的耐久性。聚氨酯面漆由丙烯酸树脂的羟基和脂肪族异氰酸酯的异氰酸基相反应交联。异氰酸酯也能与高湿大气中或底材表面的湿气起反应。与水反应会释放出二氧化碳,导致起泡等不良漆膜外观。如果未搅拌的聚氨酯含有湿气,也会影响固化反应。


因此,在施工中要注意这一点。在聚氨酯面漆中,相对较低的丙烯酸聚合物交联密度,使得它老化后自身重涂也能达到很好的层间附着力(特别是与聚酯聚氨酯高密度交联面漆相比)。干燥环境下,聚氨酯面漆可以耐受120 ℃(248°F)高温,然而,老化后会有所发黄。当长效的颜色保持性非常重要时,建议最大操作温度不要超过80℃(176°F)。为了满足VOC 法规的要求,相比较常规的聚氨酯面漆,在欧美等国,基于完全不同配方的高固体分(66%)的聚氨酯涂料,其VOC 降低到了330 g/L。



5 含氟聚合物面漆

可以溶于溶剂并能在常温下施工的含氟聚合物涂料,主要是以FEVE(聚氟乙烯/ 乙烯基醚)配制的涂料,作为高性能腐蚀体系中的面漆使用,保护下层涂料并且防止紫外线辐射。C—F 键键能达到485 kJ/mol,比C—C 键的键能358 kJ/mol 要强得多。这意味着要更强的活化能才能破坏含氟聚合物。FEVE 能用氟乙烯和乙烯基醚溶液共聚而成,给予涂料溶剂可溶性,透明度,光泽,硬度和柔韧性等。


从有机溶剂可溶性的角度来看,三氟氯乙烯(CTFE)由氟乙烯共聚而成。聚合物的羟基官能团能很容易地由羟基烷基乙烯基醚来制备,使其可以与异氰酸酯和三聚氰胺固化剂进行交联。用多种加速测试评估了FEVE 涂料的耐候性能,显示出了优良的性能。在日本和中国进行的多年多项测试都显示了相似的优异耐候性结果,FEVE 涂料比丙烯酸聚氨酯涂料有着好得多的耐候性能和保光性。


但是在中国市场的氟聚合物面漆,VOC 含量相当高,施工过程中易流挂。尽管氟聚合物面漆可以提供超强的耐候性,但是由于市场不规范,实际的使用效果相当混乱,有很多情况下采用了低含氟量的产品,并不比丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆有更好的耐久性能。北京2008 年奥运会主场馆“鸟巢”,是目前中国钢结构建筑方面采用高质量氟聚合物面漆的典型工程。此外,南京长江三桥钢塔、润扬长江大桥悬索部分、青藏铁路工程、杭州湾跨海大桥等著名工程也都采用了高性能氟碳面漆。


6 聚硅氧烷涂料

6.1 聚氨酯和氟聚合物面漆的竞争者

聚硅氧烷涂料技术对于聚氨酯面漆和氟聚合物面漆来说,已经显示出竞争的情况,越来越多的供应商开始提供这种材料。中国市场上已经有很多的聚硅氧烷面漆产品和材料供应商,可以提供低粘度,低VOC,无异氰酸酯,高耐候性的产品,如佐敦涂料,国际油漆等。硅氧烷的名字来自于Si—O—Si 键,已经成为正式的科学术语。聚硅氧烷是以Si—O 键为主的聚合物。


硅- 氧键已经氧化使得它们可以耐受大气中的氧气和大多数氧化物的作用。为了理解有机物和无机物产品的区别,需要比较一下键的化学性能。聚硅氧烷的硅- 氧键,键能高达445 kJ/mol,大大高于有机聚合物典型的碳-碳键的键能358 kJ/mol。这意味着需要更强的活化能才能破坏聚硅氧烷聚合物。因此,聚硅氧烷面漆具有优良的耐大气和化学性破坏的性能。


通过比较,有机树脂,如环氧和醇酸树脂,体现出很早的粉化和褪色,而聚氨酯和丙烯酸也会在3~5 年褪色和失光。由于硅- 氧键已经被氧化,因此,以硅- 氧键为主的聚合物不会再被氧化和大多数氧化物所影响。


第一代商品化的聚硅氧烷面漆以氢化的环氧树脂进行改性,随后发展了第二代丙烯酸改性的聚硅氧烷产品。环氧聚硅氧烷涂料在海洋平台等方面体现了相当好的防腐蚀性能,而丙烯酸聚硅氧烷涂料除了防腐性能突出外,更体现出优异的耐候性能和外观装饰性能。丙烯酸聚硅氧烷涂料在基础设施,如桥梁、机场、电视塔、体育场馆等方面的应用更为广泛。


聚氨酯面漆,体积固体分达到66% 时,其VOC含量在330 g/L,而通常的聚氨酯面漆体积固体分只有50%,VOC 含量大于450 g/L。氟碳面漆的体积固体分更低,只有40% 左右,VOC 含量更高。氟碳和聚氨酯面漆还有一个问题就是当进行无气喷涂时,低相对分子质量的挥发性异氰酸酯对肺有潜在的致敏作用。聚硅氧烷涂料则完全没有VOC 和异氰酸酯方面的问题。聚硅氧烷树脂的粘度很低,可以使得环氧和丙烯酸聚硅氧烷混合涂料有着很高的固体分。


环氧聚硅氧烷涂料的体积固体分高达90%(AmeronPSX700),VOC 为120 g/L(EPA method 24)。丙烯酸聚硅氧烷涂料的体积固体分设计为72%(JOTUNHardtop PSO),VOC 为240 g/L。


72% 的体积固体分更可以控制湿膜厚度,这有助于防止潜在的过喷涂而减少损耗。由于聚硅氧烷涂料的高固体分,使其可以高膜厚施工,干膜厚度范围在40~200 μm。因此,传统的3~4 道涂料体系,可以被更为省工省时的2 道涂料体系取代,漆膜厚度可以降低到200 μm,而两者防腐蚀性能相当。当然也可以设计成传统的3~4 道涂料体系。底漆可以采用环氧富锌底漆或无机硅酸锌底漆。注意,如果采用无机硅酸锌底漆,在喷涂聚硅氧烷涂料时需要首先雾喷,防止涂膜发生起泡和针孔现象。

持久的外观装饰性:高性能防腐面漆的回顾,现代钢结构建筑的腐蚀防护问题,已经基本得到解决,钢结构建筑的外观装饰性显得越发重要起来 中国机械网,okmao.com

聚硅氧烷网络与标准的聚氨酯相比,极大地提高了涂层的长期光泽保持性。对丙烯酸或环氧聚硅氧烷面漆都适用。在实验室内部测试和第三方的测试结果都体现出了钢铁结构表面未被破坏的部位

上面长效的防腐蚀性能,符合NORSOK M501 系统1 的要求。


6.2 聚硅氧烷面漆的应用实例

高固体分聚硅氧烷面漆在欧美和远东地区都有着广泛的应用,包括港口机械、公共设施、机场、建筑物、储罐外壁、石油平台、桥梁、船舶外部,以及铁路车辆等等。在中国,聚硅氧烷涂料已经被业主和设计师认定为具有更好保护性能和外观装饰性的面漆,在桥梁、公共设施和机场等方面的应用也越来越普遍。


重庆菜园坝大桥是第一座中国地区采用丙烯酸聚硅氧烷保护的大型桥梁,随后建设的朝天门大桥、石坂坡长江大桥等都采用丙烯酸聚硅氧烷涂料。同样的产品还被选用在北京2008 奥运会国家游泳馆、北京新机场扩建、香港新机场扩建和天津滨江机场扩建等,以及世界第一高的广州新电视塔(610 m)上面得到了应用。


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