鋅粉在防腐中的應(yīng)用

嚴(yán)海錦

江蘇科創(chuàng)金屬新材料有限公司江蘇科成有色金屬新材料有限公司泰州華民鋅品有限公司（江蘇泰州　225300）

綜述

鋅粉在防腐中的應(yīng)用

嚴(yán)海錦

江蘇科創(chuàng)金屬新材料有限公司江蘇科成有色金屬新材料有限公司泰州華民鋅品有限公司（江蘇泰州225300）

主要總結(jié)了球形鋅粉和片狀鋅粉在防腐涂料和鍍鋅中的應(yīng)用，介紹了防腐涂料和鍍鋅的組成和施工工藝，探討了鋅粉的防腐機(jī)理、影響防腐性能的因素等。

鋅粉防腐應(yīng)用

0　引言

鋼鐵長(zhǎng)期暴露在風(fēng)雨、潮濕或被污染的環(huán)境中，很容易遭受腐蝕破壞，因金屬的腐蝕而造成的直接損失相當(dāng)于世界鋼鐵年產(chǎn)量的30%，因腐蝕破壞引發(fā)的停工、停產(chǎn)、災(zāi)難性事故所帶來的間接經(jīng)濟(jì)損失更是難以估量。鋅是一種極易被氧化的金屬，在空氣中被氧化后其表面形成一層致密的氧化膜，能夠補(bǔ)充被保護(hù)金屬丟失的電子，優(yōu)先于被保護(hù)金屬而起化學(xué)反應(yīng)，從而保護(hù)金屬內(nèi)部不被繼續(xù)氧化。我國(guó)每年消耗的500多萬噸金屬鋅中有70%用于鋼材的防腐領(lǐng)域，研制并使用新型耐腐蝕材料，采用涂（鍍）層防腐蝕技術(shù)、緩蝕劑防腐蝕技術(shù)、陰極保護(hù)技術(shù)、陽極保護(hù)技術(shù)，完善制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減少鋅資源的消耗等具有重要意義。

耐腐蝕保護(hù)是鋼材生產(chǎn)和應(yīng)用中的重要課題之一，處于腐蝕性環(huán)境中的鋼材如果缺乏良好的防腐蝕保護(hù)，其使用壽命會(huì)大大縮短。目前，用以延長(zhǎng)鋼鐵基體使用壽命的方法除了添加磷、銅、鎳、鉻、鈦等金屬材料進(jìn)行陰極性鍍層外，也可以純金屬鋅粉、鐵粉和合金粉為原料構(gòu)建復(fù)合陽極性鍍層，保護(hù)基體金屬免遭腐蝕。對(duì)于陰極性鍍層而言，鍍層的完整性及其在腐蝕性介質(zhì)中的穩(wěn)定性是決定其耐蝕性高低的關(guān)鍵因素，如果陰極性鍍層本身存在缺陷（如孔隙、裂紋、磨損等），其保護(hù)作用就會(huì)顯著降低，甚至還會(huì)加速基體金屬的腐蝕。與陰極性鍍層不同，即使陽極性鍍層本身存在表面缺陷（如孔隙、裂紋等），如果缺陷的尺寸不大，陽極性鍍層仍具有保護(hù)基體金屬使其免遭腐蝕的能力。故對(duì)于鋼鐵材料而言，最常用的是陽極性鍍層，主要包括鋅鍍層和鎘鍍層。與其他金屬相比，鋅具有獨(dú)特的特點(diǎn)，其密度比鐵小、具有良好的耐高溫性和延展性、可與鐵制成合金。不論是球形鋅粉還是鱗片狀鋅粉（鋅片），在應(yīng)用于涂料、油漆和其他防腐、環(huán)保等高性能顏料，鋅鋁合金涂層和鍍鋅領(lǐng)域時(shí)，都能以其特有的方式保護(hù)基體金屬免遭腐蝕。

1　鋅粉在防腐中的應(yīng)用

1.1鋅粉在防腐涂料（或油漆）中的應(yīng)用

1.1.1球形鋅粉在防腐涂料中應(yīng)用

1920年后，澳大利亞和美國(guó)等國(guó)家開始研發(fā)鋅粉漆，根據(jù)基料可分為無機(jī)、有機(jī)和有機(jī)/無機(jī)摻合3種類型。在攪拌狀態(tài)下，將大量粒徑為19～38 μm的鋅粉溶于一定比例的溶劑、助劑和成膜物質(zhì)混合物內(nèi)，形成以硅酸鹽為黏結(jié)劑的無機(jī)富鋅底漆或以環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑的有機(jī)富鋅底漆，再將底漆涂刷至待防腐工件上，借助成膜物質(zhì)使底漆成膜固化于工件表面。底漆一方面通過阻止腐蝕介質(zhì)浸入鋼材而達(dá)到防腐效果，另一方面利用富鋅漆實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)作用?；跔奚枠O鋅、保護(hù)陰極鋼的原理，鋅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的高低直接影響有機(jī)或無機(jī)富鋅底漆的防腐性能。隨著鋅粉含量的逐漸增大，涂膜的耐鹽霧單邊腐蝕寬度越來越小，但其柔韌性、附著力逐漸降低。在一般涂層中，聚合物樹脂基料的數(shù)量足以包覆涂層中的鋅粉，此時(shí)涂層是連續(xù)致密的膜；而當(dāng)涂層中的鋅粉量增加到一定值而使樹脂基料不足以包覆這些顏填料顆粒時(shí)，涂層的各項(xiàng)性質(zhì)均會(huì)發(fā)生突變。但是，鋅粉含量過高會(huì)導(dǎo)致涂層與底材之間的附著力減小，一旦腐蝕介質(zhì)滲透到鋅粉表面，就會(huì)引起鋅腐蝕，鋅粉體積也隨之增大，涂層起泡的可能性變大，其防腐性能就會(huì)降低。對(duì)于鋅粉含量為87%的富鋅涂料，其耐腐蝕性、附著力、柔韌性等指標(biāo)均較好。在目前常見的單組分無機(jī)硅酸鋅、雙組分無機(jī)硅酸鋅、氯化橡膠鋅粉漆和環(huán)氧聚酰胺鋅粉漆中，球形鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在50%以上。防腐涂料中鋅的腐蝕沉積物對(duì)受保護(hù)金屬具有屏蔽保護(hù)作用，生成腐蝕沉積物的反應(yīng)如下[1]：

Zn＋2H2O→Zn(OH)2↓＋H2↑

Zn(OH)2→ZnO＋H2O

5ZnO＋2CO2＋3H2O→2ZnCO3·3Zn(OH)2

粒徑為19～38 μm、金屬鋅含量不低于94%的球狀鋅粉是最重要的電化學(xué)防銹顏料之一，其技術(shù)指標(biāo)如果具備球晶表面氧化少，光滑、整潔、均勻，活性高，耐蝕性好，分散性好，松裝密度小，其他有害雜質(zhì)元素（特別是鉛、鐵）含量低等條件，則該鋅粉除可作為醫(yī)藥化工催化還原劑之外，70%的用途是作為富鋅防腐涂料的關(guān)鍵原料。該鋅粉所配制涂料具有漆膜膜層薄、表面光潔致密，用量少，耐候性和耐蝕性極強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于不適宜熱鍍和電鍍的大型鋼鐵構(gòu)件（如大型戶外鋼結(jié)構(gòu)建筑、海洋工程、橋梁、管道等），船舶以及集裝箱等的涂覆。

1.1.2鋅片在防腐涂料或油漆中的應(yīng)用

隨著地球生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)停止或限制使用大部分高溶劑含量的傳統(tǒng)防腐涂料，轉(zhuǎn)而發(fā)展低鉛、節(jié)能環(huán)保型防腐材料。美國(guó)水性涂料產(chǎn)量占國(guó)內(nèi)涂料產(chǎn)量的52%，德國(guó)為46%，日本為17%，而作為涂料生產(chǎn)大國(guó)的中國(guó)僅為8%。因此，生產(chǎn)和使用節(jié)能環(huán)保型防腐材料已勢(shì)在必行。我國(guó)防腐涂料也正朝著無毒（或低毒）、無污染、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、高效的方向發(fā)展。對(duì)傳統(tǒng)的球形鋅粉顏料進(jìn)行改性，采用鋅片（含量不低于60%）作為防銹顏料，與30%～35%水性環(huán)氧樹脂、固化劑等配制成富鋅底漆；雖然鋅片用量?jī)H為球形鋅粉用量的1/3，但鋅片涂層的防腐性能是常規(guī)球形鋅粉的3～4倍，而且該底漆與基體結(jié)合率高、表面光滑，成膜的總質(zhì)量是常規(guī)富鋅漆的50%，符合節(jié)能環(huán)保防腐的要求。改性水性防腐涂料對(duì)其中所用鋅片的主要技術(shù)要求是：金屬鋅含量不低于94%，延展平面為10～15 μm，片厚度為0.1～0.3 μm，其他微量元素含量指標(biāo)需滿足GB/T 6890—2012《鋅粉》中一級(jí)品的要求；其使用量需要根據(jù)施工要求、防腐材料應(yīng)用環(huán)境和防腐目標(biāo)等具體情況確定。如果鋅片含量過高，鋅片間孔道增多，腐蝕介質(zhì)更容易深入涂層內(nèi)部與鋅片粒子發(fā)生作用。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用證明，底漆中聚氯乙烯含量較低時(shí)，涂層表現(xiàn)出較好的耐磨性和抗沖擊性，這種涂層適用于重防腐行業(yè)?！镀瑺钿\粉》（2009年）和《鱗片型富鋅底漆》（2011年）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂和出臺(tái)，也促進(jìn)了鋅片在防腐涂料中的應(yīng)用及其在防腐工業(yè)中需求量的增加。

1.2鋅粉在鍍鋅中的應(yīng)用

1.2.1球形鋅粉在鍍鋅中的應(yīng)用

工業(yè)上之所以大量地使用鍍鋅層，是因?yàn)樗哂袃蓪颖Ｗo(hù)涂層：作為防護(hù)涂層，它提供了一層堅(jiān)韌的冶金鋅涂層，完整地覆蓋鋼材，并保護(hù)其不受外界環(huán)境的腐蝕；即使鍍鋅層出現(xiàn)了破壞和裂縫，鋅層還是能起到保護(hù)鋼材的作用。鋅粉在機(jī)械鍍鋅、涂膜鍍鋅中得到大量的推廣和應(yīng)用。

鋼鐵材料的機(jī)械鍍鋅是20世紀(jì)80年代末在美國(guó)發(fā)展起來并進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的表面處理工藝，在高強(qiáng)度緊固件和一些小五金制品、射釘和高強(qiáng)度環(huán)鏈中應(yīng)用比較普遍，可用于替代熱鍍和電鍍，并且可被廣泛用于國(guó)家電網(wǎng)改造、高速公路和橋梁建設(shè)等工程中。機(jī)械鍍鋅是一種在常溫常壓下利用化學(xué)吸附沉積、機(jī)械碰撞和搓碾作用，使金屬粉在工件表面形成鋅鍍層的工藝。其工藝流程是：清洗工件→加料→建立基層（鋅粉、亞錫鹽溶液、A液）→鍍層增厚（鋅粉、B液）→水拋光→后處理[2]。機(jī)械鍍鋅采用的原料無毒性，可實(shí)現(xiàn)鍍鋅過程中無工業(yè)污染；鍍層厚度可控制在5～100 μm之間，耐中性鹽霧試驗(yàn)可達(dá)300 h以上，鍍后無氫脆和退火軟化現(xiàn)象，能滿足高強(qiáng)度零件的使用要求。鋅粉特性對(duì)機(jī)械鍍鋅鋅層性能的影響很大[3]，球形鋅粉的粒徑大?。叫∮?5 μm）、表面形狀、金屬鋅含量和微量元素含量等直接影響鍍層的致密性、鍍層的外觀以及鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度[4]。機(jī)械鍍鋅鋅層可依零件的防腐蝕要求選擇適合的鋅層厚度，美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)械鍍鋅的鋅層厚度范圍為5～135 μm，中國(guó)機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)中為5～110 μm（11個(gè)等級(jí)）。

涂膜鍍鋅（亦可稱為冷噴鋅）是一種新型、長(zhǎng)效、環(huán)保、便捷的鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)，尤其在鋼結(jié)構(gòu)維修方面表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)，從而拓展了“鋅保護(hù)”應(yīng)用的新領(lǐng)域。涂膜鍍鋅的原料由高純度的鋅粉、包覆樹脂及有機(jī)導(dǎo)電樹脂等組成，是以涂裝的方式將鋅粉鍍覆在基體材料表面上的一種材料保護(hù)技術(shù)，鍍層干膜含鋅量高達(dá)96%以上，可實(shí)現(xiàn)陰極和屏障式雙重保護(hù)。

（1）陰極保護(hù)

涂膜鍍鋅鋅層中金屬鋅含量達(dá)96%以上，同熱浸鍍鋅、電弧噴鋅等鋅層一樣，該鋅層為鋼鐵提供陰極保護(hù)功能。陰極保護(hù)主要是通過鋅粉的電化學(xué)保護(hù)作用來實(shí)現(xiàn)，因鋅比鐵活潑，容易失去電子，在前期鋅粉的腐蝕過程中，鋅粉和鋼鐵基材組成原電池。鋅的電極電位（-0.76 V）比鐵的電極電位（-0.44 V）低，因此鋅為犧牲陽極、鐵為陰極，腐蝕電流由鋅流向鐵，鋼鐵便得到了陰極保護(hù)，直至鍍層中的鋅被完全耗蝕掉。

原電池中發(fā)生的反應(yīng)為：

陽級(jí)：Zn→Zn2++2e-

陰級(jí)：Fe→Fe2++2e-（2）屏障式保護(hù)

涂膜鍍鋅中的有機(jī)樹脂在鋅粉顆粒周圍形成了致密的保護(hù)屏障層（鍍層無空隙），可有效地抵御外界水、氧和離子的滲入侵蝕。隨后，涂膜鍍鋅表面的鋅粉顆粒也可與空氣中的二氧化碳、水結(jié)合生成ZnO、Zn(OH)2和堿式碳酸鋅，這些產(chǎn)物填滿了鍍層的空隙，形成了一層“自修復(fù)”鋅鹽屏障，因而具有更優(yōu)異的防腐能力。受結(jié)構(gòu)及鋅含量的局限，富鋅漆通常難以形成所需的陰極保護(hù)；而熱（電?。﹪婁\（鋁）只提供陰極防護(hù)，當(dāng)鍍層受損后難以修復(fù)。

生成Zn(OH)2的反應(yīng)為：

4e-+O2+H2O→4OH

Zn2++2OH-→Zn(OH)2↓

可見，涂膜鍍鋅具備鍍鋅及普通涂料的雙重優(yōu)點(diǎn)，能提供陰極保護(hù)及屏障保護(hù)雙重功能，防腐性能優(yōu)異；可以常溫便捷施工，將鍍鋅變得如使用油漆一樣簡(jiǎn)單，在突破傳統(tǒng)涂料限制的同時(shí)，可以達(dá)到極佳的長(zhǎng)效防腐效果，是替代熱浸鋅、熱噴鋅的最佳防腐技術(shù)。

1.2.2鋅片在鍍鋅中的應(yīng)用

鋅片在鍍鋅中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在達(dá)克羅和刁美特等鋅鉻涂層行業(yè)。達(dá)克羅工藝處理是近年來國(guó)內(nèi)開始應(yīng)用的防腐涂層工藝，涂層厚度一般為5～10 μm，防銹機(jī)理是鋅對(duì)基體的受控的電化學(xué)壁壘保護(hù)作用，鉻酸的鈍化作用，鋅片、鋁片和復(fù)合鉻鹽涂層的機(jī)械屏蔽遮蓋保護(hù)作用，以及鋁抑制鋅的“淘析”作用。與傳統(tǒng)的電鍍鋅相比，鋅鉻涂層的耐腐蝕性能極強(qiáng)，是電鍍鋅的7～10倍；無氫脆性，特別適用于高強(qiáng)度受力件；具有高耐熱性（耐熱溫度300℃）。鋅鉻涂層技術(shù)的操作流程為：有機(jī)溶劑除油→機(jī)械拋光→噴涂→甩干→烘干（60～80℃，10～30 min）→二次噴涂→燒結(jié)（280～300℃，15～30 min）→干燥[5]；基體材料為鋼鐵制品及有色金屬（如鋁、鎂及其合金，銅、鎳、鋅等及其合金）。另外，該技術(shù)在涂覆過程中無污染，這在金屬表面處理歷史上是一場(chǎng)變革，是當(dāng)今世界上在金屬表面處理領(lǐng)域富有代表性的高新技術(shù)；尤其適用于汽車和摩托車底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)部件，彈性和管類、腔類的高強(qiáng)度構(gòu)件；涂層具有高滲透性、高附著性、高減磨性、高耐氣候性、高耐化學(xué)品穩(wěn)定性、無污染性等特點(diǎn)。達(dá)克羅涂液涂層外觀為均勻的銀灰色，涂層由鋅片（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～30%）、鋁片（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5～10%）、乙二醇等惰性有機(jī)溶劑、鉻酸等無機(jī)酸和增黏特殊有機(jī)物組成。涂覆液按上述工藝經(jīng)300℃左右保溫烘烤生成無定形的復(fù)合鉻鹽化合物，覆蓋在母材的表面及鋅片、鋁片的表面，將鋅片、鋁片與鋼鐵基材表面緊密地黏結(jié)在一起，鋅片、鋁片之間亦被復(fù)合鉻鹽所填充，冷卻后的金屬表面即被覆蓋上了一層很薄的銀灰色達(dá)克羅特種防腐涂層。

達(dá)克羅涂層的不足是導(dǎo)電性能不理想、表面硬度和抗劃傷能力比其他傳統(tǒng)處理方法略差、不宜用于導(dǎo)電連接的零件（如電器的接地螺栓等）。機(jī)械鍍鋅的優(yōu)點(diǎn)是：工藝操作簡(jiǎn)單、能耗低、表面光亮度好、工業(yè)加工成本低于達(dá)克羅處理。應(yīng)用于戶外的長(zhǎng)期防腐蝕的緊固件鍍層，均是犧牲陽極性質(zhì)的鋅鍍層，因此鍍層要含有足夠多的鋅，才能確保戶外應(yīng)用的緊固件具有數(shù)十年的防腐能力。

2　結(jié)語

金屬與周圍環(huán)境中各種介質(zhì)接觸時(shí)，發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，從而使金屬材料受到損耗、性能受到破壞的現(xiàn)象，稱為腐蝕[6]。

在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，無論采用哪一類現(xiàn)代防腐蝕技術(shù)，從本質(zhì)上講，其防止或減緩金屬腐蝕的原理均在于破壞形成腐蝕必須滿足的條件或減緩電化學(xué)腐蝕過程進(jìn)行的速率。鋅粉的特性使其成為重要的防腐材料并得到廣泛應(yīng)用。

中國(guó)擁有比較豐富的鉛鋅礦等資源，近年來，鋅粉的制備和防腐技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，以及有機(jī)硅、氟碳、稀土和石墨烯等材料配制的重防腐涂料研制和粉末材料制造業(yè)的發(fā)展，在減少不可再生資源消耗的同時(shí)，也可為耐腐蝕保護(hù)提供了新的防腐技術(shù)和材料。

[1]顧根福.鋅粉漆綜述[J].上海涂料,2005,43(7/8)：39-43.

[2]陳菡.鍍鋅防腐工藝[J].鋼鐵,2007,42(7)：38-42.

[3]李鐵龍,楊新岐,姜海龍,等.鋅粉特性對(duì)機(jī)械鍍鋅層性能的影響[J].材料保護(hù),2005,38(11)：14-16.

[4]王勝民,何明奕,趙曉軍,等.機(jī)械鍍鋅用鋅粉的選擇[J].電鍍與涂飾,2007,26(6)：48-50,54.

[5]丁金城,趙增典,于先進(jìn),等.達(dá)克羅涂覆過程中常見的問題及其處理方法[J].材料保護(hù),2004,37(3)：55,59.

[6]方震,李清湘.鋅粉、鋅片與重防腐[J].上海涂料,2009, 47(8)：39-42.

Application of Zinc Powders in Anti-corrosion Field

Yan Haijin

The applications of spherical zinc powders and zinc flakes in anti-corrosion coatings and galvanization are summarized.Besides,the compositions and operation technologies of anti-corrosion coatings and galvanization are introduced.Furthermore,the corrosion-resistant mechanism of zinc powders and factors influencing the anti-corrosion performance are discussed.

Zinc powder；Anti-corrosion；Application

TG179

嚴(yán)海錦男1978年生本科高級(jí)經(jīng)濟(jì)師高級(jí)工程師主要從事金屬冶煉、金屬新材料粉體制備及其技術(shù)研究工作

2015年11月