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2013年年中,NACE国际公司进行了一项研究,该研究表明,由于腐蚀带来的昂贵和巨大挑战,美国每年的腐蚀总成本上升至1万亿美元以上。腐蚀是美国经济中最大的单一支出,估计超过GDP的6.2%。腐蚀给美国带来了很高的价格标签,仅次于医疗保健1。美国政府2001年资助的一项研究估计,仅军事系统和基础设施的腐蚀成本每年就约200亿美元。大部分损失是由于道路和桥梁、输气管道、储罐、汽车、船舶、污水系统等加工制造过程中所用钢材的腐蚀造成的,腐蚀的成本是金钱和生命,会导致危险故障,增加各种应用的成本,从公用事业到交通等
有机涂层除了具有改善外观的主要优点外,在防止基体腐蚀方面也发挥着重要作用。涂料配方设计师使用三种基本策略为金属表面提供防腐:1)涂层作为屏障技术,可以防止氧气和水进入金属表面;2)使用缓蚀剂和颜料钝化金属表面;3)使用牺牲金属的方法进行保护。
阻隔涂层可以降低渗透性,从而避免氧气和水进入涂层表面。阻隔性能通常由片状(云母)添加剂(如片状滑石粉、云母、云母氧化铁)和片状金属颜料(如铝颜料)提供。
富锌底漆是提供腐蚀保护(至少是一些阴极保护)的涂层的一个很好的例子。由于锌的氧化还原电位比铁低,所以混合在涂层中的金属锌作为阳极,比铁基体更易受到腐蚀,从而为铁表面提供阴极保护。
使用防腐颜料是提高涂料耐腐蚀性能最常用的方法之一。防腐蚀颜料与涂层所吸收的水反应,释放出迁移到金属表面的抑制离子,并通过无机层在金属基体上的沉积或吸附使金属表面钝化。以锌、锶和铬酸铅为基础的金属盐被用来抑制腐蚀,因为它们的阳离子在金属表面形成不溶性沉积物,从而增加了一层保护层来抑制进一步的腐蚀。由于其毒性,人们已开发出可替代铬酸盐的防腐颜料。这些无毒颜料通常以磷硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐和偏硼酸金属盐为基础。与铬酸盐不同,这些阳极部分的颜料功能是通过限制氧气向金属表面的扩散来实现的。因此,阳极对金属表面的钝化作用可能不完全有效,导致耐蚀性差。
监管问题在未来一段时间内仍将是驱动力,特别是缓蚀剂。最近值得注意的发展包括欧盟(EU)在含有氧化锌和磷酸盐的产品上贴上特殊危险标签,职业健康安全管理局(OSHA)降低了六价铬抑制剂的允许接触限值。
开发了一些新型的缓蚀剂,使各种水性和非水性高性能涂料具有优异的防锈性能。这些新型有机缓蚀剂可作为主要缓蚀剂或与环保型防腐颜料配合使用。它们与各种工业应用中使用的底漆和直接应用于金属(DTM)的涂料中使用的树脂兼容。本文介绍了近年来我们尝试使用这些新型缓蚀剂来提高各种涂层的耐蚀性。
目前涂料市场的主导趋势不是在高性能涂料体系中使用底漆,而是在DTM应用中使用强化面漆。由于不使用底漆,节省了底漆施工的相关费用,降低了总成本。缺点是降低了底漆的耐腐蚀性和附着力。在DTM涂层中加入无毒的防腐颜料可以提高涂层的耐蚀性,但其防腐性能一般不如使用底漆的体系。解决这一问题的方法是在DTM涂层中加入有机缓蚀剂和无毒防腐颜料。
过去,底漆系统中使用的有机缓蚀剂是以磷酸盐、磺酸盐和羧酸盐为基础的。这些化学物质工作良好,但在DTM涂料中使用时经常发现有缺陷。随着DTM涂层耐腐蚀性能的提高,要求使用更强的有机缓蚀剂,这些缓蚀剂与无毒的防腐颜料具有协同作用。
为了解决这一问题,人们开发了一些新型的液体缓蚀剂,它们是基于复杂有机酸的金属盐。这些缓蚀剂单独使用或与无毒防腐颜料结合使用时,可提高耐腐蚀性和湿附着力。我们发现,这些产品在丙烯酸或聚酯多元醇与脂肪族异氰酸酯交联的溶剂型双组分聚氨酯体系中尤其有效。
为了证明这些新型缓蚀剂的有效性,将它们应用于各种DTM涂层中,并与传统的有机缓蚀剂进行了比较。在第一种配方中,用丙烯酸多元醇制备白色双组分聚氨酯涂料,并与脂肪族HDI三聚体和多元醇交联。颜料与基材的比例为1:1。该体系含有5%(质量比)的锶、锌和磷硅酸盐防锈颜料。采用2%(质量比)常规金属磺酸盐缓蚀剂和2%(质量比)新型金属复合缓蚀剂nacorr-424对涂层进行了改性。将两个样品与只含防腐颜料但不含有机缓蚀剂的控制板进行比较。在磷酸盐处理的1000粘结铁片上制备了干膜厚度为1.5-1.7 mil的涂层,并在室温下固化7天。然后,根据ASTM试验方法B117,将板放置在盐雾箱中并暴露500小时。将外露板从机柜中取出后,立即使用金属刮刀刮擦,如ASTM d1654第7.2条所述。如图1所示,新的缓蚀剂比传统的有机缓蚀剂和仅使用防腐颜料的控制剂具有更好的湿粘附性和防锈性能。
虽然这些新型缓蚀剂是为无底漆的DTM涂层开发的,但它们也可用于底漆系统。采用六羟甲基三聚氰胺六甲醚交联可稀释聚酯,制备水基热固性铁红底漆。配方中以氧化铁红为主要防锈颜料,硅酸锶锌为第二防锈颜料。用量为配方总质量的2.5%。颜料与基材的比例为1:1。采用2%常规有机缓蚀剂和2%新型金属络合物缓蚀剂nacorrXl-419处理配方。再次,将两个样品与仅使用防腐颜料的对照板进行比较。将涂保定外墙保温多少钱层涂在1000个粘合板上,以获得干膜厚度约为1.0-1.2 mil的涂层模板。然后将样品板在150℃(300F)的烘箱中固化15分钟。然后将样品放入盐雾箱中,暴露500小时。取出暴露的样品并检查。如图3所示,与对照配方相比,新型缓蚀剂的性能优于标准缓蚀剂。
新一代液体有机缓蚀剂可用于提高DTM中无毒防腐颜料的性能。它们与这些颜料协同工作,以提高耐腐蚀性,允许配方设计师使用无底漆,以满足要求较低的金属防腐应用的要求。