摘要 ：云母氧化鐵因其出色的防腐性能在防腐涂料中的使用很廣泛，富鋅底漆中使用云母氧化鐵替代鋅粉還不常見。通過對單底漆和配套面漆涂層經(jīng)兩種腐蝕環(huán)境試驗(yàn)后涂膜的性能測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)云母氧化鐵部分替代球狀鋅粉時涂料的耐腐蝕性很好。云母氧化鐵能明顯提高涂層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后涂膜的附著力。富鋅底漆中使用云母氧化鐵既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。
0 前言
云母氧化鐵 ( 簡稱 MIO) 能提高涂料的耐候性，自二十世紀(jì)初期以來，含云母氧化鐵的涂料在鋼結(jié)構(gòu)的防腐上得到了持續(xù)廣泛的運(yùn)用。
眾所周知，云母氧化鐵又被稱為鏡鐵礦和片狀赤鐵礦，是由一種天然礦物精煉而成，其主要成分為 Fe 2 O 3 。其結(jié)構(gòu)及形態(tài)與通常的可用作紅色、黃色、棕色及黑色顏料的氧化鐵不同，云母氧化鐵呈薄片結(jié)構(gòu)，深灰色，帶有金屬光澤。“云母狀”是指云母氧化鐵薄片很小，近似于云母。
1 形成疊狀的屏蔽層
云母氧化鐵不溶于水、有機(jī)溶劑以及堿液，僅在高溫下能微溶于強(qiáng)酸溶液。它與絕大多數(shù)的化合物都不反應(yīng)，熱穩(wěn)定性好，其熔點(diǎn)超過 1 500 ℃ 。由于其出色的防腐性能，它在防腐涂料中得到了廣泛的使用。當(dāng)涂膜中含有一定比例的云母氧化鐵時，云母氧化鐵薄片重疊排列在基材的表面上，形成一種 疊狀的屏蔽層。云母氧化鐵薄片是一種不滲透的物理性屏蔽層，它能隔絕引起鋼結(jié)構(gòu)腐蝕和基料面漆降解的水、氧氣及離子的滲透。云母氧化鐵薄片具有很強(qiáng)的 UV 吸收性和耐候性，這些能減少 UV 和其它氣候條件引起的降解作用，從而保護(hù)了涂覆有涂膜的基材表面。云母氧化鐵能增強(qiáng)基料樹脂的性能，并且能提高涂層與基材間以及涂層間的接合力。云母氧化鐵的薄片結(jié)構(gòu) ( 一般長 40 ～ 50 μ m ，厚 5 ～ 10 μ m) 使得涂料的干膜厚通度常超過 50 μ m ，來形成一種疊狀的屏蔽層，所以云母氧化鐵通常使用在厚膜的中涂和面漆中。近來，隨著云母氧化鐵技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了片厚僅 1 ～ 2 μ m 的超薄顏料，這勢必將提高它在涂料中的使用，特別是對環(huán)境和成本都有利的廉價底漆。
2 云母氧化鐵顏料能降低涂料的成本
富鋅底漆中使用超薄云母氧化鐵替代鋅粉還不是很多。由于云母氧化鐵獨(dú)特的物理和化學(xué)性能能形成一個很好的屏蔽結(jié)構(gòu)，這樣就使得減少鋅粉的用量成為可能。在保持涂膜卓越的耐腐蝕性的同時，它能給研發(fā)人員一個真正減少環(huán)境污染的機(jī)會，同時還不像其它一些環(huán)境友好型技術(shù)那樣增加了涂料的成本。
3 含球狀鋅粉和云母氧化鐵的富鋅底漆
本試驗(yàn)所制備的富鋅底漆是由半固體狀的環(huán)氧樹脂、聚酰胺 ( 固化劑 ) 、球狀鋅粉以及云母氧化鐵等組成。
富鋅底漆的配方中顏料體積濃度 ( 簡稱 PVC) 一般為 40% ～ 65% ，球狀鋅粉與云母氧化鐵的體積比為 1 ∶ 1 。試驗(yàn)過程中，在 PVC 為 65% 的底漆中用云母氧化鐵取代部分球狀鋅粉，其體積比分別為 83 ∶ 17 ， 67 ∶ 33 以及 50 ∶ 50 。用球磨機(jī)制備底漆。
試驗(yàn)過程中測定了涂膜的一些常規(guī)性能，也測定了單底漆和配套面漆涂層的耐腐蝕性。
常規(guī)的涂膜性能有干燥時間、擺桿硬度、杯突、沖擊、柔韌性以及附著力等，試驗(yàn)須在 4 周內(nèi)完成。
按照 ISO2409 的規(guī)定使用劃格法測定配套面漆涂層的附著力。在腐蝕試驗(yàn)之前以及腐蝕試驗(yàn)之后都要進(jìn)行附著力的測定。
4 實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)用底板為脫脂處理過的鋼板，其尺寸為 100 mm × 150 mm × 1 mm 。環(huán)氧富鋅單底漆的干膜厚度為 (60 ± 5) μ m 。保護(hù)性的配套面漆涂層由環(huán)氧富鋅單底漆和丙烯酸聚氨酯的雙組分面漆 ( 干膜厚度為 (160 ± 15) μ m) 組成。試驗(yàn)樣板為 3 塊，養(yǎng)護(hù) 4 周，試驗(yàn)環(huán)境條件：溫度為 (23 ± 2) ℃；相對濕度為 (50 ± 5)% 。
單底漆和配套面漆涂層的耐腐蝕性按以下進(jìn)行：
1. 按照 ISO 9227 的規(guī)定進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)；
2. 含 SO 2 氣體的潮濕環(huán)境能加速腐蝕過程，按照 ISO 3231 的規(guī)定進(jìn)行耐腐蝕性試驗(yàn)，在含 SO 2 氣體的熱濕熱箱中放置 8 h ，再在規(guī)定的養(yǎng)護(hù)環(huán)境中放置 16 h ，循環(huán)試驗(yàn)。
圖1 涂料的PVC以及Zn粉與MIO的體積比對涂膜干燥時間影響
按照 ASTM D1654-92 、 D610-85 和 D714-87 中規(guī)定的方法評定配套面漆涂層的耐腐蝕性。常使用 Heubach 等級進(jìn)行評定： 100 為最好， 0 為最差。
5 云母氧化鐵能提高涂膜的機(jī)械性能
PVC ，球狀鋅粉與云母氧化鐵的體積比都會顯著影響涂膜的干燥時間。當(dāng)?shù)灼岬?PVC 為 40% ，球狀鋅粉與云母氧化鐵的體積比為 1 ∶ 1 時，底漆涂膜的干燥時間最長，達(dá) 8 h( 見圖 1) 。當(dāng)云母氧化鐵的含量提高后，涂膜的擺桿硬度將下降 ( 見圖 2) 。
圖2 涂料的PVC以及Zn粉與MIO的體積比對涂膜擺桿硬度影響
云母氧化鐵能顯著影響涂料的機(jī)械性能。含球狀鋅粉和云母氧化鐵組合的富鋅底漆具有很好的抗沖擊性 ( 見圖 3) 。但是隨著涂料中 PVC 從 40% 到 65% 的不斷提高，涂膜的杯突性能和柔韌性都會下降 ( 見圖 4 和圖 5) 。
通過對 PVC 為 65% 的底漆的涂膜性能測定，發(fā)現(xiàn)云母氧化鐵的含量越高，涂膜的抗沖擊性、杯突性能以及柔韌性越好。涂膜的附著力保持良好。
6 對 PVC 為 65% 的底漆進(jìn)行耐鹽霧試驗(yàn)
單底漆的耐鹽霧試驗(yàn)表明，云母氧化鐵的含量和涂料的 PVC 都會顯著影響涂膜的耐腐蝕性。在 PVC 為 40% 到 50 % 的區(qū)間內(nèi)，涂膜的耐腐蝕性逐漸增強(qiáng)； PVC 在 55% 到 60 % 的區(qū)間，涂膜的耐腐蝕性反而會逐漸降低。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂料的 PVC 為 65% ，球狀鋅粉與云母氧化鐵的體積比為 1 ∶ 1 時，涂膜具有最好的耐腐蝕性；當(dāng)涂料的 PVC 為 50% 時也是如此。相對于鋅粉的電化學(xué)性以及其它一些鋅顏料產(chǎn)品的屏蔽作用而言，云母氧化鐵薄片所起的的屏蔽作用可能更重要 ( 見圖 6 和圖 7) 。配套面漆涂層也有類似的趨勢 ( 見圖 8 和 圖 9) 。由于面漆的存在，耐腐蝕性的區(qū)別有所下降。
圖3 涂料的PVC以及Zn粉與MIO的體積比對涂膜抗沖擊性的影響（280后）
圖4 涂料的PVC以及Zn粉與MIO的體積比對涂膜杯突性能的影響（280后）
圖5 涂料的PVC以及Zn粉與MIO的體積比對涂膜柔韌性的影響（280后）
7 球狀鋅粉與云母氧化鐵的體積比為 1 ∶ 1 的涂料在熱濕熱箱中的耐腐蝕性最好
單底漆在含 SO 2 氣體的熱濕熱箱中進(jìn)行的耐腐蝕試驗(yàn)表明，當(dāng)涂料的 PVC 為 40% 時，涂膜的屏蔽性主要由云母氧化鐵的屏蔽性決定；當(dāng)涂料的 PVC 為 50% 時，涂膜的耐腐蝕等級達(dá)到 82 ；隨著涂料中 PVC 的逐漸增大，涂膜變得容易被滲透，耐腐蝕性也下降。
當(dāng)單底漆中僅含有鋅粉時，涂膜的耐腐蝕性較低，等級僅為 45( 見圖 6 和圖 7) 。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)涂料的 PVC 為 50 % ，球狀鋅粉與云母氧化鐵的體積比為 1 ∶ 1 時，涂膜具有最好的耐腐蝕性。 PVC 和云母氧化鐵的屏蔽機(jī)理以及鋅顏料的電化學(xué)過程和溶解性都會影響單底漆的耐腐蝕性 ( 例如： ZnSO 4 · 7H 2 O 在水中的溶解度大約為 1680 g /L ， ZnCO 3 在水中的溶解度大約為 10 mg/L) 。
試驗(yàn)表明：雙組分的聚氨酯面漆也會顯著影響配套面漆涂層的耐腐蝕性 ( 見圖 8 和圖 9) 。
8 含云母氧化鐵的涂料附著力好
試驗(yàn)中所有的配套面漆涂 層在腐蝕試驗(yàn)前都有很好的附著力 (0 級 ) 。僅含球狀鋅粉的配套面漆涂層在經(jīng)過兩種腐蝕試驗(yàn) 1512 h 后，附著力明顯下降 (2 級 0 ，而含云母氧化鐵的配套面漆涂層經(jīng)相同的試驗(yàn)過程后，附著力仍然很出色。
9 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
含云母氧化鐵的富鋅底漆涂膜的干燥時間越長，硬度越差，但是涂膜的抗沖擊性、杯突性能以及柔韌性會更好。
當(dāng)涂料的 PVC 為 50% ，球狀鋅粉與云母氧化鐵的體積比為 1 ∶ 1 時，涂膜具有最好的耐腐蝕性。云母氧化鐵能明顯提高涂層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后涂膜的附著力。
涂料的干膜中鋅粉的質(zhì)量份數(shù)能減少至 49.8%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) ，相對于僅含球狀鋅粉的富鋅底漆而言，能節(jié)省 45%9 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) 的鋅粉用量。
試驗(yàn)表明，富鋅底漆中使用云母氧化鐵對環(huán)境保護(hù)及降低成本都有利，云母氧化鐵部分替代球狀鋅粉對提高涂料的耐腐蝕性是一種很好的手段。
