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材料保护-第5章-涂层.

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材料保护-第5章-涂层.

Chapter 5 涂层保护技术,1.1 涂层的防腐特点及应用 涂料,习惯称为油漆,它可以采用不同的施工工艺涂覆在 物体表面,利用自身的粘附性和固化能力形成与基体粘结牢固 具有一定强度、连续的固态薄膜,即涂层,又称漆膜或涂膜。 许多涂层对酸、碱、盐等腐蚀介质都显示惰性,将物件与腐蚀 环境相隔离,从而起到了防腐蚀的作用。,涂料防腐蚀的特点如下: a.在保护同时,还具有装饰作用及标志、防火等特殊功能。 b.施工简便、应用范围广,易于现场维护维修、更新。 c. 成本费用和施工费用低于其它防腐措施。 d.可以和其它防腐措施配合使用,获得完善的防腐系统。,1.2 防腐涂料的基本知识 (1) 涂料的基本组成及各成分的作用:,注:不含有固体颜料、填料的涂层呈透明状,称为清漆。,A. 成膜物质分为两类: a.非转化型成膜物质,在涂料成膜过程中组成和结构不发 生变化,具有热塑性,具有可溶性,如天然沥青、松香、过氯 乙烯等; b.转化型成膜物质,在涂料成膜过程中组成和结构发生变 化,一般具有可反应的官能团,在一定条件下聚合成与原结构 不同的网状高聚物,品种有植物油脂、含有活性基团的低分子 化合物、齐聚物及缩聚型合成树脂。 B. 颜料在涂料中有重要的作用: 形成各种美丽的颜色;增加物理机械强度、附着力、耐久; 增加漆膜的厚度,防止紫外线的透入、抗水及蒸汽的渗透。 根据所起的主要作用不同,可分为三类: (a)着色颜料;(b)防锈颜料;(c)体质颜料(填料)。,(a)着色颜料 着色颜料在漆中起着色和遮盖物面的作用,其次是提高漆膜的 耐久性、耐候性和耐磨性。着色颜料按色泽可分类如下:,(b) 防锈颜料 防锈颜料具有特殊的防锈能力。在涂料中涂在金属表面上可阻止金属的锈蚀,甚至漆膜擦破也不致生锈。它们也有遮盖力和着色力,防锈作用可分为物理性和化学性两种。,(c)体质颜料 又称填充颜料,是一种没有遮盖力和着色力的无色粉状物质。共性特点耐腐蚀。耐候性、耐磨性均良好,价格便宜。,体质颜料可增加漆膜的厚度,加强漆膜体质、坚硬、耐磨,所以称为体质颜料。体质颜料密度小,悬浮力好,在漆中可以防止密度大的颜料沉底。组织细腻,改善漆的平润性和老化程度。此外还可提高耐磨性、耐水性、耐温性及电性能等。体质颜料分类如下所示:,(d) 配色原理,C. 溶剂在成膜过程中要完全挥发掉,要求溶剂不仅对成膜物 质有较好的溶解性和化学稳定性,还要挥发性大、毒性小。有 机溶剂的挥发造成资源的浪费及环境污染。现已开发出不含有 溶剂的固体粉末涂料,液态无溶剂涂料,低污染水溶性涂料。,(a)石油烃类溶剂 低沸点石油溶剂石油醚 特种沸点溶剂溶剂汽油-200#、松香水 煤焦溶剂苯、甲苯、二甲苯、重质苯 (b)醇类溶剂乙醇、(正/异)丙醇、(正/仲)丁醇 (c)酮类溶剂丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮、环乙酮 (d)酯类溶剂醋酸乙酯、醋酸丁酯 (e)混合溶剂稀释剂,D. 助剂用量很少,但起显著作用。分为四个类型: (a)对涂料的生产过程发生作用,如消泡剂、润滑剂、分散 剂、乳化剂等; (b)对涂料施工成膜过程发生作用,如促干剂、固化剂、流 平剂等; (c)对涂料贮存过程发生作用,如防结皮剂、防沉淀剂; (d)对涂膜性能发生作用,如增塑剂、防霉剂、阻燃剂、防 静电剂、紫外光吸收剂等。,(2)防腐涂料的分类及命名,防腐蚀涂料品种很多,从涂料形态可分为水溶性防腐涂料、 溶剂型防腐涂料、无溶剂防腐涂料、粉末防腐涂料等。 命名采用以主要成膜物质为基础的分类方法,按统一的命名 原则进行。 A. 涂料型号:由成膜物代号、基本名称代号和品种序号组成。,成膜物代号,基本名称代号,基本名称代号,(3) 涂料的干燥成膜 A.物理成膜:涂料中的成膜物质为非转化型的(即在于燥成 膜过程中不发生化学反应),它包括溶剂或分散介质的挥发成 膜方式和聚合物粒子凝聚方式。,B.命名原则:颜色或颜料名称+主要成膜物名称+基本名称。 型号 命名 S52-31 各色聚氨酯防腐漆 H06-15 云铁环氧底漆 W61-32 铝粉有机硅耐热漆,以挥发方式成膜的涂料种类有过氯乙烯漆、沥青漆、橡胶膝、热塑性烯烃树脂漆等。,B.化学成膜:由转化型成膜物质组成的涂料被施工为薄膜状 态下,成膜物要发生一系列化学反应而转变为具有一定性能的 高分子膜。其结构大多为大分子网状结构,所发生的反应完全 遵循高分子合成反应机理,因此可分为链锁加聚反应成膜(如不 饱和聚酯漆、油性醇酸树脂漆、光固化涂料等)和逐步加聚成膜 (如环氧、聚氨酯、酚醛涂料等)两种方式。,涂料干燥成膜三种工艺:常温固化成膜;加热固化成膜; 特种固化成膜。,聚合物粒子凝聚成膜方式是依靠高聚物粒子在一定条件下 接触、挤压、变形,最后由粒子状态的聚集转变为分子状态的 聚集而形成连续涂膜这是分散型涂料(如水乳胶、塑性熔胶)、 粉末涂料的主要成膜方式。,(4)涂层的防腐保护原理-三种作用 A.屏蔽作用:许多涂料对酸、碱、盐等腐蚀介质显示化学 惰性,起到了屏蔽腐蚀介质的作用。涂层的抗渗性是涂层起屏 蔽作用的关键,为提高抗渗性,可从以下几点考虑: a.成膜物质可选用聚集态结构紧密、透气性小的高聚物,如 大分子链上极性基团多、支链少、交联密度大、结晶度高的高 聚物,抗渗性能好。 b.加入一定量的惰性无机粉末填料(如滑石粉、高岭土、云母 等) 常可提高涂层的抗渗性,当加入的固体填料为鳞片状时 (如 铝粉、玻璃鳞片等),即使涂层很薄,抗渗性仍好。,c.涂层的微孔是在涂料干燥过膜过程中形成的,与干燥固化 因素有关:对于有小分子产物生成的逐步缩聚反应成膜,由于 小分子产物从膜中逸出,故易形成针孔;含大量溶剂的涂料, 当溶剂挥发后就会产生许多真空;如果涂膜在干燥成膜后期还 能保持充分的流平性,上述针孔就会封闭,为此,要调节溶剂 组成,使成膜物的溶解度在溶剂挥发过程中不致急骤降低。 d.增加涂层厚度及涂覆次数。在涂层厚度相同的情况下,涂 覆次数越多,出现微孔的几率就越小,防腐蚀性能就越好,实 际上难以做到一次涂成所要求的厚度,但涂覆次数多,施工经 费增加,因此要综合考虑不同环境中涂层的有效厚度及最低界 限厚度的涂覆次数。,B. 钝化缓蚀作用:借助涂料中的防锈颜料与金属表面反应, 使其钝化或生成保护性的物质以提高涂层的保护作用;另外, 许多油料在金属皂的催化作用下生成的降解产物也能起到有机 缓蚀剂的作用。 C. 电化学保护作用:涂料中使用电位比铁低的金属为填料 (如锌),会起到牺牲阳极的阴极保护作用,并且锌的大气腐蚀 产物碱式碳酸锌较稳定,又起到封闭、堵塞漆膜孔隙作用。,A.底漆:直接与金属接触,是整个涂层系统的重要基础。 a. 阻止锈蚀的生成和发展,含有防锈颜料、抗渗填料。 b. 与金属表面有良好的附着力和润湿力,因此成膜物分子 往往含有极性基团,漆膜的收缩力要尽量小。 c.底漆中含较多固体填料的另一作用是使漆膜表面粗糙, 增加与中间层或面漆的结合力。 B.中间层:与底、面漆结合良好,起承上启下作用,这主要 是靠两层界面间的物质相互扩散、高分子链相互缠结以及极性 基团间的吸引力。在涂层体系中底漆或面漆有时不宜太厚,所,(5)防腐涂层结构 在实际应用中,大多在金属表面涂覆几种涂层,以组成一 个整体系统共同发挥功效。这一涂层体系包括底漆、中间层、 面漆,每层按需要分别涂刷一至数次。,1.3 常用有机类防腐蚀涂料 酚醛树脂防腐蚀涂料 乙烯类树脂防腐涂料 环氧树脂防腐蚀徐料 呋喃树脂防腐涂料 聚氨脂防腐涂料 有机硅树脂防腐涂料 其它树脂防腐蚀涂料 丙烯酸树脂防腐涂科 橡胶类防腐涂料,以中间层的另一作用是增加涂层厚度以提高屏蔽作用。汽车漆 的中间层作用是提供平整表面,保持美观,其较好的弹性能缓 冲小石冲击车辆而涂层不裂。 C.面漆:与环境相接触,要具有耐环境化学腐蚀性、装饰美 观性、抗紫外线、耐候性等。往往面漆的成膜物含量较高,含 有紫外线吸收剂,或铝粉、云母氧化铁等阻隔阳光的颜料。,(1)无机涂料成膜机理 无机涂料是以水溶性硅酸盐、磷酸盐、二氧化硅溶胶、正 硅酸乙酯等无机材料为成膜物质的涂料。这些物质在涂膜干燥 过程中发生水解等一系列反应,最终形成坚固的网状二氧化硅 结构或网状缩合磷酸盐结构将各种填料粘结成一紧密的、坚硬 的整体,具有优异的耐蚀、耐热性能;无机涂料的成膜物质不 同,其成膜机理也有所差异。 A.水溶性硅酸盐最常见的是水破璃,又称泡花碱,通式为: Na2O·nSiO2,n为水玻璃模数,代表了SiO2与Na2O摩尔数比值, 涂料用水玻璃模数以34为宜。,1.4 无机防腐蚀涂料简介,水玻璃溶液中由于水解作用含有一定浓度硅酸凝胶,具有 粘结性能,将填料粘结起来,硅酸凝胶将发生去水反应转为网 状SiO2: Na2O·nSiO2 + (2n+1)H2O NaOH + nSi(OH)4 nSi(OH)4 SiO2 + 2H2O,金属卤化物(如MgC12)、氟硅酸钠、磷酸都能中和水玻璃水 解生成的NaOH,促进硅酸凝胶的生成。但所生成的一些可溶性 盐(NaX、Na2PO4)结晶于涂层表面,固化后须用水冲洗除去: MX2 + Na2O·nSiO2 + 2(n-1)H2O MSiO3 + (n-1)Si(OH)4 + 2NaX 2Na2O·nSiO2 + Na2SiOF6 + 2(n+1)H2O6NaF + (2n+1)Si(OH)4,硅酸同时还可与铁发生反应,生成硅酸铁,使涂膜与金属 表面的附着力增大。还可与金属氧化物(如氧化锌、氧化铅等) 反应,生成不溶性的复盐,增加涂层的抗渗性。,B.正硅酸乙酯实际上是一种半无机的粘合剂,可溶解于有机 溶剂中。涂刷后溶剂挥发、正硅酸乙酯逐步水解转变为聚硅氧 烷,然后吸收空气中的水分最终形成聚二氧化硅的结构:,C.水溶性磷酸盐涂料一般需高温烘烤才能固化,在加热过程 中酸性磷酸盐的H+被金属离子置换生成不溶于水的缩合物。固 化剂为金属氧化物、金属复合氧化物、氢氧化物、硅氟化物、 硼酸盐等。,(2) 无机涂料的防腐应用 无机防腐涂膜具有优异的耐酸、耐油、耐化学药品、耐候 性能,特别是耐热性、耐燃性是有机涂层无法比拟的。因此作 为耐热防腐涂料广泛应用于化工设备、烟囱、高温蒸气管道、 热交换器、高温炉、石油裂解设备、飞机发动机部位及排气管 等,并在航空、宇航事业中越来越受重视。 无机涂料的缺点是涂膜较脆、对底材的处理要求严格。近 年来,通过引入有机树脂与其混合成发生化学反应方式来提高 涂层对底材的附着力、抗龟裂性、耐水性和抗渗性。如硅酸钠 与低分子量的尿素树脂反应制得水性耐热树脂,再与耐热填料 配制成能耐1800的耐热防腐徐料;由水玻璃、聚酯树脂和无 机颜料配制成的能耐1200 的高温防腐涂料。,1.5 具有特殊性能的防腐蚀涂料,(1)富锌涂料:含大量活性颜料 -锌粉的涂料。由于锌粉对 钢铁的阴极保护及腐蚀产物碱式碳酸锌(4ZnO·CO2·4H2O)稳定 封闭、堵塞漆膜孔隙,使涂层具有极好的屏蔽作用,因此尽管 涂层较薄,但仍能对金属起到较好的保护作用,使用寿命长。 富锌涂料一般用作底漆,其干膜锌粉含量一般在8595 之间才能很好地起到电化学保护作用。根据成膜物质的不同可 分为无机富锌涂料和有机富锌涂料。 有机富锌涂料常用环氧、聚氨酯、乙烯类树脂及氯化橡胶 为成膜物质。成膜物及配套面漆不用不耐碱的基料(如醇酸树 脂阴极保护产物为碱性)。 无机富锌涂料是锌粉与水玻璃、正硅酸乙酯等无机基料组 成,硅酸凝胶能与锌粉和铁发生反应,产物具有保护性能。,(2)带锈涂料:即带锈底漆,是指能直接涂覆在未充分表 面处理、有残余锈蚀的钢铁表面,而具有一定防锈功能的涂 料。在一般金属防腐涂装中,表面处理费用占涂装总费用的 4550,特别对于桥梁、海上采油设施、重型机械等大 型整体钢铁构件,进行现场表面处理非常困难。 铁锈情况如下,面层主要是Fe3O4,结构疏松的浮锈,较 稳定; 中层以

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