環(huán)保型鋼箱梁內(nèi)壁重防腐涂料的研制

張然

河北金達涂料有限公司 河北石家莊 052460

我國自改革開放以來，城鎮(zhèn)高速公路建設(shè)發(fā)展越來越迅猛，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土橋梁作為公路建設(shè)重要組成部分也得到相應(yīng)發(fā)展，城市高架橋、城市立交匝道橋相繼開工，并投入運營。鋼箱梁橋因其跨越能力強、工廠加工制造速度快、施工對橋下交通影響小等優(yōu)點在橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主要失效原因是金屬腐蝕，近年來隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，鋼箱梁橋梁每年因金屬腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民經(jīng)濟總值的1-5%，據(jù)統(tǒng)計，每年城鎮(zhèn)橋梁腐蝕率占20-35%，鋼橋防腐蝕涂裝及維修費占鋼橋建設(shè)費用的15%以上[1]。鋼箱梁橋內(nèi)壁因附屬設(shè)施的損壞或附屬功能的失效，如除濕系統(tǒng)發(fā)生故障、排水不暢等；或者橋梁在施工過程中及成橋后的降雨過程中均會發(fā)生箱梁積水問題，而鋼箱梁橋內(nèi)的積水很難排除，只能靠自然蒸發(fā)消耗，雨水的短期沉積不會對結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響，但長期的雨水浸泡會引發(fā)鋼板的快速銹蝕，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。因此對鋼梁內(nèi)壁進行防護顯得尤為重要[2]。

目前鋼箱梁內(nèi)壁防護涂料多采用溶劑型體系，但是因鋼箱梁內(nèi)部空間限制，施工環(huán)境惡劣，且施工過程中產(chǎn)生大量揮發(fā)性有毒氣體，對環(huán)境及施工人員造成了傷害。且隨著人類環(huán)境意識的提高，尤其2015年史上最嚴(yán)《環(huán)保法》開始正式實施，涂料行業(yè)的發(fā)展朝著環(huán)境友好型方向發(fā)展。本項目產(chǎn)品是水性化產(chǎn)品，安全環(huán)保。生產(chǎn)、施工過程中均無揮發(fā)性有毒氣體產(chǎn)生，特別適用于鋼箱梁內(nèi)部鋼制材質(zhì)的長期防護，具有極其重大的經(jīng)濟效益和現(xiàn)實意義。

1 環(huán)保型鋼箱梁內(nèi)壁重防腐涂料的制備

1.1 基本配方

本涂料的基礎(chǔ)配方如表1所示，由自制水性環(huán)氧樹脂乳液、自制水性環(huán)氧固化劑、石墨烯、磷酸鋅、三聚磷酸鋁以及其他顏填料和助劑組成。其中，水性環(huán)氧固化劑、水性環(huán)氧樹脂作為涂層的成膜物質(zhì)；配方中的防銹顏料主要是三聚磷酸鋁、氧化鐵紅、磷酸鋅、石墨烯；助劑包括潤濕分散劑、消泡劑、防閃銹劑、流平劑等。

表1 環(huán)保型鋼箱梁內(nèi)壁重防腐涂料配方

1.2 原材料的選擇

（1）成膜物質(zhì)的選擇。環(huán)氧樹脂因其優(yōu)異的力學(xué)性能、粘結(jié)性能、加工性能及耐腐蝕性能，在防腐蝕涂料中占有至關(guān)重要的地位，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合涂層的底漆和中間漆。本文以化學(xué)改性法制備水性環(huán)氧樹脂乳液，不僅乳液顆粒粒徑小，乳液穩(wěn)定性高，且在水中具有良好的分散性，固化劑為多元胺改性水性環(huán)氧固化劑，這種改性固化劑與水性環(huán)氧樹脂乳液具有良好的混溶性，兩者配合具有優(yōu)異的耐鹽霧性、耐水性，施工適用期長，完全適用于重防腐涂裝。

（2）防銹顏料的選擇。顏填料的選擇對水性涂層的防腐性能有較大影響，由于水性環(huán)氧固化劑成弱堿性，所以環(huán)保型鋼箱梁內(nèi)壁重防腐涂料中一般選用吸油量低性能穩(wěn)定的顏填料，避免使用酸性和吸水性高的顏填料[3]。本文選用氧化鐵紅、三聚磷酸鋁、磷酸鋅配合使用，并加入新型功能性防腐材料--石墨烯，石墨烯的屏蔽作用和氧化石墨烯的鍵合作用，進一步提高涂層的防腐性能。

（3）助劑。助劑是涂料體系組成的重要組分，在涂料的使用、施工及儲存過程中具有重要作用，本涂料綜合各方面影響因素，選用的助劑有潤濕分散劑、消泡劑、流平劑、防閃銹劑。其中潤濕分散劑為高分子聚合物型，該產(chǎn)品與配方體系具有良好的相容性，能是顏填料穩(wěn)定分散到體系中，提高了產(chǎn)品的貯存穩(wěn)定性，同時避免了漆膜過程中產(chǎn)生浮色。消泡劑選用非硅型消泡劑，具有良好的相容性，且提高了漆膜復(fù)凃性。除此之外，配方中的閃繡抑制劑采用一種新型無毒環(huán)保產(chǎn)品，該產(chǎn)品能阻止金屬地材表面發(fā)生陰極反應(yīng)，還能阻止鐵的離子化，從而避免被空氣中的氧離子氧化，有助于提高水性涂料的耐鹽霧性。

1.3 涂膜性能

將涂料的A、B組分按質(zhì)量比20：4配漆制板，其漆膜性能檢測結(jié)果如表2所示。

表2 涂膜性能檢測結(jié)果

1.4 環(huán)保型鋼箱梁內(nèi)壁防腐涂料防腐蝕機理解析

通過加入改性三聚磷酸鋁、磷酸鋅配合使用，三聚磷酸鋁為白色顏料，微溶于水，在涂層下溶解時電離出P3O105-，在陽極部位與金屬離子結(jié)合成不溶的鈍化膜，該膜硬度高，附著牢固，即便在最容易生銹的鋼梁內(nèi)壁風(fēng)嘴部位也能提供優(yōu)秀的緩蝕保護[4]；磷酸鋅的防銹機理在于能在金屬表面和Fe3+形成附著牢固的絡(luò)合物Fe[Zn(PO4)3]沉淀層而抑制陽極反應(yīng)，同時能與涂料中的羥基、羧基絡(luò)合，使顏料-涂料-底材之間形成化學(xué)結(jié)合而提高涂層的附著力和抗?jié)B透性。磷酸鋅-改性三聚磷酸鋁具有較好的穩(wěn)定性，無毒、耐水性和防腐蝕性較好，能在金屬表面形成附著牢固的絡(luò)合物，起到強效和長效防銹的作用。

石墨烯的防腐蝕機理主要體現(xiàn)在兩個方面，一是其片層結(jié)構(gòu)對腐蝕性介質(zhì)具有較好的屏蔽作用，延長了腐蝕介質(zhì)到達涂層/金屬界面的路徑，腐蝕后期的腐蝕產(chǎn)物逐漸堵塞石墨烯片層與片層之間的縫隙，進而形成致密的屏蔽涂層，進而提高涂層的耐腐蝕性能；同時石墨烯的加入改善了涂層的疏水性，使得水分子更難進入涂層內(nèi)部，間接提高的涂層的耐腐蝕性能[5]。二是石墨烯中的環(huán)氧基、羧基等基團能夠與多元胺類固化劑發(fā)生反應(yīng)，使得環(huán)氧樹脂和石墨烯通過固化劑分子以化學(xué)鍵的形式連接在一起，從而提高了涂層內(nèi)部的交聯(lián)密度，形成更加致密的三維立體結(jié)構(gòu)，使得涂層耐腐蝕性能進一步提高。

2 結(jié)語

環(huán)保型鋼箱梁內(nèi)壁重防腐涂料不但符合環(huán)保要求，而且在密閉空間使用安全、施工方便，通過添加功能性石墨烯、三聚磷酸鋁、磷酸鋅等防銹顏料，賦予涂層優(yōu)異的耐腐蝕性，在環(huán)保要求日益嚴(yán)峻的環(huán)境下，為鋼箱梁橋梁內(nèi)壁的防腐蝕防護提供了新的選擇。尤其現(xiàn)如今，我國正處于大型橋梁建設(shè)的高峰期，預(yù)計10a后這些橋梁將陸續(xù)進入維修期，再加上目前已經(jīng)進入維修期的大量中小型橋梁，未來橋梁建設(shè)及維修用涂料的市場是非常的巨大的。