基于鍍鋅涂層的鐵塔表面防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)通信需求的逐年增長，提高通信鐵塔鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命勢在必行。這就需要深入研究鐵塔鋼結(jié)構(gòu)的防腐方法，增強(qiáng)其防腐能力。目前，鐵塔防腐涂層主要采用鍍鋅涂層。鍍鋅涂層制備技術(shù)主要有4種，即熱鍍鋅、冷鍍鋅、熱鍍鋅+有機(jī)涂層、冷鍍鋅+有機(jī)涂層?；诖耍C述鍍鋅涂層制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以增強(qiáng)涂層耐蝕性、耐候性、耐鹽霧性、附著能力和機(jī)械性能，確保鐵塔表面得到良好防護(hù)。

關(guān)鍵詞：鍍鋅涂層；鐵塔表面；防護(hù)；熱鍍鋅；冷鍍鋅；有機(jī)涂層

中圖分類號：TG174.23；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）09-0-05

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Research progress on surface protection technology of iron towers based on galvanized coating

WEI Wei1， TAO Xinyi2， LI Binchuan2， WAN Tao2， LI Ning1， QI Baojin1， SUN Rufeng1， AN Yifei1， AN Guisheng1， FU Daxue2

（1. Liaoning Branch of China Tower Corporation Limited， Shenyang 110167， China;

2. School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang 110819， China）

Abstract： With the increasing demand for network communication year by year， it is imperative to improve the service life of communication tower steel structures. This requires in-depth research on the anti-corrosion methods of iron tower steel structures to enhance their anti-corrosion capabilities. At present， the anti-corrosion coating for iron towers mainly adopts galvanized coating. There are four main techniques for preparing galvanized coatings， namely hot-dip galvanizing， cold-dip galvanizing， hot-dip galvanizing + organic coating， and cold-dip galvanizing + organic coating. Based on this， the current research status of galvanized coating preparation technology is summarized to enhance the corrosion resistance， weather resistance， salt spray resistance， adhesion ability， and mechanical properties of the coating， ensuring that the surface of the iron tower is well protected.

Keywords： galvanized coating; tower surface; protection; hot-dip galvanizing; cold-dip galvanizing; organic coating

在實際應(yīng)用中，金屬材料通常都面臨腐蝕問題。腐蝕是金屬和周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的一種破壞性侵蝕。腐蝕不僅會導(dǎo)致金屬材料的塑性、韌性和強(qiáng)度等力學(xué)性能大幅下降，使金屬構(gòu)件的形狀遭到損壞，還會造成零件間的磨損加劇，破壞金屬材料光學(xué)和電學(xué)等物理性能，使服役設(shè)備的使用壽命大幅度縮短，甚至?xí)斐杀?、火?zāi)和中毒等災(zāi)難性事故。據(jù)估測，全球每年因為腐蝕報廢的鋼鐵設(shè)備占據(jù)年產(chǎn)量的30%[1]。2014年，中國主要代表性工業(yè)部門因腐蝕而引起的成本增加的全國性調(diào)查結(jié)果表明，中國腐蝕總成本估值為21 278億元，占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值（Gross Domestic Product，GDP）的3.34%。研究表明，采用適宜的防腐方法可以節(jié)省15%～35%的腐蝕成本，這意味著僅在中國，每年就可以節(jié)省高達(dá)7 747億元的腐蝕成本[2]。目前，研究者主要采用表面涂層、電化學(xué)保護(hù)、新型合金等技術(shù)來抑制金屬腐蝕。其中，防腐涂層是最有效、最常用且最簡單的方法。

防腐涂層是指附著于物體表面，在一定條件下能形成薄膜而起保護(hù)、裝潢或其他特殊功能（絕緣、防銹、防霉和耐熱等）的固體材料。它主要有3點(diǎn)作用，即保護(hù)、裝飾和提高產(chǎn)品的綜合性能。防腐涂層能接受各種酸、堿、鹽類的溶液、蒸汽和固體的腐蝕。金屬基底附著涂層的主要目的是將腐蝕性物質(zhì)與金屬基底隔離，有效切斷腐蝕路徑或延長腐蝕路徑，從而大大降低腐蝕的發(fā)生率，它是金屬基體腐蝕防護(hù)的有效措施之一。金屬基體的防腐涂層可分為無機(jī)涂層、有機(jī)涂層以及復(fù)合涂層。隨著網(wǎng)絡(luò)通信（尤其是第五代移動通信技術(shù)）需求的逐年增長，通信鐵塔的數(shù)量亟待增加，鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命亟待延長。提升鐵塔防腐抗銹蝕能力，延長鐵塔使用壽命，一方面助力打造“健康塔”，提高鐵塔外涂層的腐蝕耐候能力，提升鐵塔資產(chǎn)健康度；另一方面助力打造“長壽塔”，延長超折舊期的鐵塔使用壽命，最大限度發(fā)揮資產(chǎn)效能，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益?；阼F塔的腐蝕行為，綜述鍍鋅涂層制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀，如熱鍍鋅、冷鍍鋅、熱鍍鋅+有機(jī)涂層、冷鍍鋅+有機(jī)涂層，以提高其耐蝕性、耐候性、耐鹽霧性、附著能力和機(jī)械性能，實現(xiàn)鐵塔表面的有效防護(hù)。

1 熱鍍鋅

熱渡鋅也叫熱浸鋅或熱浸鍍鋅，其主要工藝流程為堿洗脫脂→水洗→酸洗除銹→水洗→浸溶劑助鍍→熱鍍鋅→水冷→鈍化。鋅比鐵更活潑，可發(fā)揮陰極保護(hù)作用。鍍膜時，鋅為熔融狀態(tài)，其對鋼件的形狀、大小的適應(yīng)性強(qiáng)。熱鍍鋅原材料來源廣泛，工藝成本低，效率高。因此，鐵塔材料最常用和最有效的防腐方法是采用熱鍍鋅涂層。

熱鍍鋅涂層可滿足內(nèi)陸環(huán)境下鐵塔的防護(hù)要求。但是，沿海地區(qū)濕度大，鹽霧濃度高，熱鍍鋅涂層不再適用于鐵塔的防護(hù)。為擴(kuò)大熱鍍鋅涂層的應(yīng)用領(lǐng)域，可采用熱鍍鋅合金技術(shù)，有效提高熱鍍鋅涂層的防腐性能。王茂法[3]以純鋅為基礎(chǔ)，添加Al、Ni調(diào)整鍍鋅液成分，通過掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和電化學(xué)工作站研究熱浸鋅鍍層的組織與耐腐蝕性能。結(jié)果表明，Ni元素的主要作用是抑制圣德林效應(yīng)，使鍍層的結(jié)合強(qiáng)度和外觀質(zhì)量均得到提高，合金鍍層與基體冶金結(jié)合，提高涂層的耐腐蝕性。相較于純鋅涂層，Zn-Al-Ni鍍層腐蝕速率降低59.6%。郭大偉等[4]的研究表明，鍍層充分進(jìn)行合金化處理，較佳比例的Zn-Fe金屬相會使得涂層具有良好的抗腐蝕能力。在Zn-Fe合金相中，鐵含量越高，合金平衡電位越高，熱力學(xué)穩(wěn)定性越好。Cu的添加也有助于提高涂層的耐蝕性。Wang等[5]在AZ31鎂合金表面鍍上一層含Cu中間層的鋅涂層，鋅鍍層厚度約為100 μm，Cu中間層和鎂合金之間的界面處形成反應(yīng)層與擴(kuò)散層，有利于提高鋅層與鎂合金的黏結(jié)強(qiáng)度。含Cu中間層的鋅涂層對鎂合金進(jìn)行表面改性，可顯著提高鎂合金的抗氧化性能和耐腐蝕性能。

此外，傳統(tǒng)熱鍍鋅鐵塔呈單一明亮的銀白色，具有較強(qiáng)反射性，在一些地區(qū)（如西藏自治區(qū)）可能會造成自然地貌的破壞，可對鋅層進(jìn)行著色來解決這一問題。在傳統(tǒng)的熱鍍鋅工藝基礎(chǔ)上，彩色熱鍍鋅技術(shù)改變鍍液合金成分，即在鋅液中添加少量呈色元素，從而獲得彩色的鍍層。胡成路[6]通過對彩色熱鍍鋅工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究，制備出與西藏自治區(qū)地貌色彩相協(xié)調(diào)的彩色鍍層。Mn是彩色鍍液的較佳呈色元素，Zn-Mn合金鍍液色彩飽和度高，種類較多，鍍液加入Mn也能大幅提高鍍層耐蝕性。

2 冷鍍鋅

冷鍍鋅涂料是通過涂裝的方式將鋅粉涂覆在基材表面的一種簡單高效的新型材料保護(hù)技術(shù)，其防腐性能優(yōu)異，維修施工方便，已逐步應(yīng)用于電力、通信設(shè)施、石油化工設(shè)備、機(jī)場和橋梁等重點(diǎn)工程領(lǐng)域。冷鍍鋅產(chǎn)品涂層干膜的Zn含量超過95%，主要靠陰極保護(hù)和樹脂屏蔽作用進(jìn)行防腐。與熱鍍鋅相比，冷鍍鋅涂裝便捷，成本較低，環(huán)境相對友好。缺點(diǎn)是冷鍍鋅不能在化學(xué)水平上與金屬結(jié)合，使其性能下降。

劉燦樓等[7]在鋼板上制備一種冷鍍鋅層，附著力評級為0級。此冷鍍鋅層耐蝕性約為同等厚度熱鍍鋅層耐蝕性的3/4。王立等[8]研究自制的納米稀土冷鍍鋅涂料的涂層外觀、涂層厚度以及機(jī)械性能，其與市售環(huán)氧富鋅涂料相似，但耐腐蝕性能優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料。該涂料與丙烯酸磁漆和丙烯酸聚氨酯面漆均可良好配套。XU等[9]采用磷酸對冷鍍鋅涂層的鋅顆粒進(jìn)行表面改性，鋅改性前后SEM圖譜如圖1所示，球形鋅顆粒周圍形成磷酸鹽層。不同Zn含量冷鍍鋅涂層的電化學(xué)阻抗儀（Electrochemical Impedance Spectroscop，EIS）圖譜如圖2所示，鋅顆粒和磷酸反應(yīng)生成層狀Zn3（PO4）2·4H2O，其低電化學(xué)活性的聯(lián)合作用有助于提高冷鍍鋅涂層的耐蝕性，降低涂層的吸水率，磷化物使鋼基板鈍化，以增加涂層與基板的附著力。

3 熱鍍鋅+有機(jī)涂層

對于熱鍍鋅方法，除通過合金化改善防腐能力外，還可與有機(jī)樹脂組成復(fù)合涂層來提高防腐能力。劉峰等[10]分別采用熱鍍鋅+冷鍍鋅復(fù)合涂層、熱鍍鋅涂層、熱鍍鋅+帶銹環(huán)氧涂層，對鐵塔角鋼材料進(jìn)行防腐性能測試，采用中性鹽霧方法對試樣進(jìn)行耐蝕性測試，結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。熱鍍鋅涂層、熱鍍鋅+冷鍍鋅復(fù)合涂層在鹽霧測試150 h后，涂層表面出現(xiàn)大面積腐蝕；熱鍍鋅+帶銹環(huán)氧涂層在鹽霧測試2 000 h后，表面未發(fā)生明顯腐蝕。這表明熱鍍鋅+帶銹環(huán)氧涂層的耐蝕性能明顯優(yōu)于熱鍍鋅+冷鍍鋅涂層和熱鍍鋅涂層。馬承志等[11]針對沿海地區(qū)鐵塔防腐問題，研究金屬涂層+有機(jī)封閉涂層體系、帶銹涂料、外加電流陰極保護(hù)法和純熱鍍鋅工藝對鐵塔防腐的作用，并進(jìn)行鹽霧加速測試。結(jié)果表明，帶銹涂料和金屬涂層+有機(jī)封閉涂層相對于常規(guī)的熱鍍鋅涂層均能有效減緩鐵塔用鋼鐵材料的腐蝕速度。高新華等[12]將環(huán)氧樹脂與增韌樹脂混合后制備一種高適應(yīng)性防腐涂料，并在帶銹熱鍍鋅、銹蝕鋼材、熱鍍鋅和帶舊涂層等結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行應(yīng)用測試。結(jié)果表明，這種適應(yīng)性強(qiáng)的防腐涂料與熱鍍鋅、帶銹熱鍍鋅、銹蝕鋼材、帶舊涂層等底材均具有良好的相容性，附著力較佳，與丙烯酸聚氨酯面漆結(jié)合后，涂層耐大氣環(huán)境腐蝕、耐酸堿鹽的性能優(yōu)異，可滿足鐵塔設(shè)施的防腐要求。

4 冷鍍鋅+有機(jī)涂層

對于冷鍍鋅方法，除通過添加納米材料等改性手段改善防腐性能外，還可通過與有機(jī)涂層組合成復(fù)合涂層來提高防腐性能。FAHEEM等[13]采用真空離心機(jī)將粒徑為1～5 μm的Zn顆粒分散在富鋅環(huán)氧酯中，制備用于鋼材冷鍍鋅的富鋅環(huán)氧酯涂料。結(jié)果表明，富鋅環(huán)氧酯涂料具有良好的耐磨性和耐蝕性，比市售丙烯酸基冷鍍鋅涂料具有更強(qiáng)的保護(hù)作用和更長的使用壽命。宋小莉等[14]通過試驗研究不同樹脂體系對冷鍍鋅涂料鍍膜各項性能的影響。結(jié)果表明，不同體系的有機(jī)涂層均可用于制備冷鍍鋅涂料，但產(chǎn)品性能存在一定差異。

5 結(jié)論

近年來，鐵塔鍍鋅防腐技術(shù)發(fā)展迅速，但依然存在亟待改進(jìn)之處。目前主要通過改性、填充和復(fù)合等方法對涂層材料進(jìn)行處理，從而提高涂層耐蝕性、耐候性、耐鹽霧性、附著能力和機(jī)械性能。對于無機(jī)涂層，熱鍍鋅材料改性手段較為單一，多為合金化改性，對防腐綜合性能的提高作用有限。目前，有機(jī)涂層的環(huán)境適應(yīng)性研究多集中在單因素加速老化試驗，多種環(huán)境因素的協(xié)同作用研究比較薄弱[15]，有機(jī)物的環(huán)保性能缺乏考慮。未來，可通過硅烷膜的結(jié)構(gòu)改性和稀土轉(zhuǎn)化膜的成分優(yōu)化等方式[16]，對現(xiàn)有涂層體系進(jìn)行改性，解決熱鍍鋅材料改性手段單一、防腐性能改善有限的問題；對于有機(jī)涂層材料的環(huán)境適應(yīng)性研究，應(yīng)該根據(jù)實際環(huán)境特征，開展涂層的多種環(huán)境因素綜合模擬加速試驗，研究其在不同環(huán)境中的老化失效過程和機(jī)理；有機(jī)分子結(jié)構(gòu)改性時，要注意其環(huán)保性能變化，防止產(chǎn)生有毒物質(zhì)。

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