环保型重防腐涂料的研究进展与发展趋势

2013-06-05 14:29:52 作者：林安，汪的华，朱华来源：

文/林安，汪的华，朱华，刘敏，叶惠明，李闵，毛旭辉，肖巍·武汉大学

　　方达经·中交武汉港湾工程设计研究院

　　作者简介

　　林安，武汉大学资源与环境科学学院教授，博导，原中国腐蚀与防护学会副理事长、青工会主任委员，中国机械工程学会常务理事，中表协清洁生产委员会副主任，湖北省腐蚀与防护学会名誉理事长，金属腐蚀与防护国家重点实验室学术委员会委员。

　　本文从我国涂料的市场状况出发，介绍了环保型重防腐涂料的种类和各自的优劣势，分析了环保型重防腐涂料的研究进展与发展趋势，并对近年来出现的几种新型重防腐涂料的涂装技术进行了评价。

　　我国自2009年起，已成为全球涂料生产、消费第一大国，涂料工业发展迅速。2010年中国各类涂料产量分布图如图1所示。从图1中可以看出，建筑涂料已占据涂料市场的半壁江山。

　　2012~2015年国内涂料需求量预测如图2所示。从图2中可以看出，未来我国涂料产销量还将继续保护稳定增长。

　　未来国内涂料的发展应关注以下几个方面。

　　（1）建筑涂料发展速度高于涂料行业整体增长幅度，环保将成为拉升建筑涂料市场增长的最关键因素，即降低VOC（除甲醛）--零VOC、节能环保为需求方向。

　　（2）由于高热度的汽车市场需求，汽车涂料与汽车修补漆将占有更大的市场份额。

　　（3）水性木器涂料将得到更广泛地推广。

　　（4）我国地坪涂料将向水性化发展。

　　（5）我国的粉末涂料在2009年己拥有80万吨，居世界第一位。

　　（6）辐射固化涂料每年以近10%的速度增长。

　　（7）中国工业及进出口的复苏，将带动风电涂料、光固化涂料、集装箱涂料、船舶涂料等特种涂料及重防腐高性能涂料的增长。

　　（8）节能、环保、高性能是我国涂料工业的发展目标，也是中国涂料核心产品的开发方向，环保型重防腐涂料成为涂料研发的一大热点。

　　几种环保型重防腐涂料

　　水性重防腐涂料

　　水性重防腐涂料也具有水性涂料的相关特点。优点包括低粘度、低VOC、低可燃性、低毒及使用方便。缺点则是成本高，且水的比热大难挥发，环境温度和湿度对其成膜和干燥速度影响大，同时对基材清洁度要求高。

　　此外，作为高性能防腐涂料，水性重防腐涂料还具有其他问题，如闪锈现象、稳泡现象、颜填料絮凝现象、表干时间过长、涂层耐水性不足等。这就要求水性重防腐涂料在进行涂层体系设计时充分顾及成膜树脂的充分交联、颜填料与树脂间的相互作用，成膜树脂与金属间的作用力，以及多层涂料体系间的有效结合。在其中，高性能成膜树脂是水性重防腐涂料研究发展的热点与关键问题。

　　水性丙烯酸重防腐涂料可应用与大多数基材上，包括钢材、镀锌件、铝材等；水性环氧重防腐涂料主要用于压载水舱、长输油管、长输天然气管等管道外壁；水性无机硅酸锌重防腐涂料主要用于复涂已涂装过的油罐或化学罐。此外，对许多管壁、桥梁工件具有良好的阴极保护效果，有效防止电化学腐蚀。

　　水性重防腐涂料的发展趋势主要体现在：耐高温、耐辐射等高性能特种水性重防腐涂料的研究与开发已成为市场需求；重防腐涂料成膜树脂的复合改性，尤其是互穿网络（IPN）技术等改性方法的开发是水性重防腐涂料的重要研究方向；纳米复合材料在特种水性重防腐涂料中的应用研究具有很好的前景。

　　水性重防腐涂料的应用实例较多，遍及国内外，行业应用面广泛。如上海徐浦大桥（图3a）、秦山核电站（图3b）、上海体育场（图3c）采用的是水性硅酸锌重防腐涂料，三峡水电站（图3d）用水性聚氨酯-环氧-丙烯酸改性重防腐涂料。

　　粉末重防腐涂料

　　粉末涂料属于零VOC的环保涂料，具有可回收、无溶剂、生产施工安全及易自动化涂装等特点，清除容易、过喷涂涂料可回收再利用，施工后涂膜基本上不产生真空，涂膜耐久性好。广泛应用于家用电器、交通、建筑和工业领域。

　　目前，粉末涂料己进入稳定发展期，市场份额一直维持在10%~12%之间。我国粉末涂料行业整体技术水平不高，高端粉市场被国外企业垄断，几乎占80%以上的市场份额。

　　在我国环氧重防腐粉末涂料及固化剂己实现国产化。我国粉末涂料主要应用于汽车工业、船舶工业、管道工业、热敏材料和建筑五大领域，应用品种多为粉末重防腐涂料。其相关产品仍存在不足，可薄涂、可低温固化、高装饰性及高耐候性等涂料品种尚缺乏具有合适性价比的、有竞争力的产品；国内粉末涂料仍普遍采用毒性大的TGIC作为固化剂，与国外的低毒固化剂存在差距。

　　粉末涂料的发展方向是低温固化和快速固化、薄膜化、功能化、专用化和美术型粉末涂料。可低温固化树脂的研制以及新的固化工艺的开发是新型重防腐粉末涂料的重要研究方向。

　　功能性粉末涂料的主要研究发展方向包括以下的几个方面。

　　（1）重防腐粉末涂料（管道专用重防腐涂料、钢缆专用重防腐粉末涂料、钢筋专用重防腐粉末涂料、耐紫外线重防腐粉末涂料等）。

　　（2）低温固化粉末涂料（110~140℃/15~20min完成固化）。

　　（3）绝缘型粉末涂料（电工部件专用绝缘粉末涂料、耐高温绝缘粉末涂料等）。

　　（4）高光泽装饰性粉末涂料（汽车专用产品）。

　　（5）UV固化粉末涂料（主要用于板材、塑料、木材等）。

　　（6）耐辐照粉末涂料，用于核能发电站的防护。

　　（7）耐高温粉末涂料（180~200℃）。

　　在重防腐领域具有更大应用前景的热固性粉末树脂主要有环氧、聚酯、环氧一聚酯、聚氨酯、丙烯酸、丙烯酸一聚酯、丙烯酸一环氧、丙烯酸一氟树脂等。由原本单-的环氧树脂粉末涂料，发展为环氧聚酯混合型粉末涂料占主导地位；聚酯TGIG粉末涂料、聚氨酯粉末涂料也普遍应用，丙烯酸聚氨酯粉末涂料崭露头角。

　　高固体分重防腐涂料

　　提高重防腐涂料的固体分含量，减少VOC是重防腐涂料的主攻方向。固体含量在65%以上便可称为高固体份涂料，高固体分重防腐涂料优点包括有效减少VOC排放量。

　　目前对高固体分重防腐涂料的研发思路主要为：以缩聚反应及自由基聚合来制备低聚物；开发低相对分子质量化、低极性化和粒子化的改性树脂，以实现高固体化。

　　此外，活性稀释剂的添加也是高固体化研究思路之一。研究热点在于开发和应用高分子量、低粘度的树枝状聚合物，如聚酯、聚氨酯等；以及其施工时产生的缩孔、流挂等问题的防治。

　　下面列举两个高固体分防腐涂料研究进展。

　　（1）国内已有学者采用改性环氧和聚氨酯预聚物制备高固体分重防腐涂料，固含量达97%,-次涂覆厚度在150um以上，涂层针孔不到普通防腐涂料的1/3,性能良好；国外已研制出固含量高达95%的高固体分重防腐涂料，己在油田及水电工业上取得良好的应用效果。

　　（2）欧洲现有汽车涂装流水线都将采用高固体分防腐涂料取代固体分溶剂型涂料；美国DuPont公司已有80%高固体涂料应用于汽车涂料中。我国与欧美发达国家在这-领域技术研究与应用上的差距均十分明显。

　　辐射固化重防腐涂料

　　辐射固化涂料是利用中、短波（300~400nm）UV光的辐射能量引发涂料中的低分子预聚物或齐聚物的聚合及交联反应而得到固化漆膜。这类涂料固化快、不需外加热、节省能源，可配制成无溶剂产品，适用于各种基材。

　　这些优点使辐射固化涂料在近几年来成为非常活跃的研究开发领域，在发达国家已获得应用。

　　目前，UV固化涂料的研究热点集中于解决其在低温下进行固化的技术问题，如醇溶性UV固化涂料的开发等。

　　我国的UVCC产业与国外发达国家相比，在品种、质量、市场规模、研究开发方面均存在较大差距。国内中、低档UV固化涂料近年来以两位数增长，但色漆、形状复杂的工件的UV固化进展缓慢，水性涂料、汽车涂料的UV固化仍处在研究试验阶段。

　　今后辐射固化重防腐涂料研究方向是开发低粘度高固化速率的低聚物、低毒性高活性的单体、高效光引发体系；开发多品种UV固化体系及设备，大力发展光固化水性及粉末重防腐涂料。

　　新型绿色生物基重防腐涂料

　　（1）腰果壳油环氧重防腐涂料。由天然腰果壳油合成的改性环氧树脂低粘度改性剂以及固化剂，在重防腐涂装体系，特别是船舶涂料防腐体系中得到了广泛应用。该涂料体系既有低分子量脂肪胺体系的硬度与优良的耐化学腐蚀性能；又具备低分子聚酰胺体系的适用期长、韧性好、毒性低的优点；还具备一般酚醛胺体系的快速固化和良好的附着力；该体系对涂装表面处理要求不高，在不添加重金属防腐颜料条件下，仍可达到重防腐涂料性能要求。

　　（2）美国谷虾壳生物防腐涂料。美国能源部专家利用谷物、螃蟹壳、龙虾壳等原料制备的生物防腐涂料对防止金属生锈具有很好的效果，控制温度适当时，涂料能紧密附着于铝及其他金属表面，即使在苛刻的地热环境中，仍具有良好的防腐效果。

　　新型至防腐涂装技术

　　聚脲重防腐涂料

　　聚脲弹性涂料是-种新型无溶剂、无污染的涂料产品和施工技术；其疏水性强，对环境温度不敏感：可在水上/冰上涂覆成膜；在极恶劣的环境下也可正常施工；涂抹刚性与韧性兼具、涂层致密、连续、无接缝，阻隔效果好；涂层还具有耐磨、防水、抗冲击、抗疲劳、耐老化、耐高温、耐辐射等功能。

　　聚脲弹性涂料已在海洋灯塔、水池防水层、船舶、场馆建筑及高速铁路等工程建设中得到应用。应用实例包括：京津铁路、奥运场馆、京沪高速、厦深铁路、京石高铁等。

　　缺点在于喷涂设备较为昂贵，喷涂施工要求较高；色彩、光泽及平整度较差。

　　水性长效防腐带锈涂料

　　带锈表面允许少量铁锈存在，节省除锈工时70%~80%,一股锈层厚度不超过50~60um;凡在大气中存在半年之久的钢材表面，或去除浮锈后经钢丝刷简单处理的旧钢结构表面，均可直接刷带锈防锈涂料。

　　带锈防锈涂料应具有足够的渗透能力，能充分浸润、渗透整个疏松多孔锈层，封闭整个涂层与钢材表面；具有足够的反应性，能使锈层中活泼有害的铁化合物经转化后变成稳定的无害填料。

　　低表面处理水性长效防腐带锈涂料大多采用苯丙复合乳液、纯丙乳液等树脂为基料，加入三聚磷酸铝、磷酸锌、氧化锌等活性防锈颜料制成，用于石油化工管道、煤气罐体、汽车底盘、杆塔、抽油机等重防腐涂装中。

　　水性带锈涂料常温干燥速度快、黏结力强、无毒、不燃，能与多种涂料配用。开发有效的锈转化剂及锈稳定剂是低表面水性带锈涂料应用研究的重点。

　　结束语