防腐涂料在桥梁建筑上的应用

在中国政府对基础建设大量投资的大环境之中,防腐涂料将是未来几年中国涂料行业的亮点。下文是上海罗巴鲁富锌涂料有限公司的李焱先生对防腐涂料在桥梁建筑上应用的一篇比较全面的介绍。但是,文章主要着重于面漆,对底漆的发展动向没有提及。底漆主要的品种包括环氧树脂,丙烯酸树脂和含氯橡胶涂料。在国外,水性防腐涂料,如华津思的环保型水性防锈底漆作为桥梁建筑底漆的应用越来越广泛。水性防腐涂料作为底漆的优点有这样几个:

  • 环保性
  • 高附着力
  • 耐水性
  • 与颜填料相容性好

防腐涂料,包括水性防腐涂料,将是中国工业涂料行业的一个重要发展方向。

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李焱(上海罗巴鲁富锌涂料有限公司201801)

桥梁是人类的杰出建筑之一。桥梁建设随着国民经济和基础设施建设步伐的加快而飞速发展。桥梁可以分为铁路桥和公路桥,根据需要也可以两桥合一。在桥面结构上,铁路桥以桁架梁为主,公路桥以箱形梁为主。桥梁的建设,主要有斜拉桥、悬索桥、拱桥、PC连续钢构桥的制造形式。随着科学技术的发展,桥梁防腐蚀面漆从醇酸树脂涂料发展到氯化橡胶涂料和聚氨酯树脂涂料,以及氟树脂涂料和有机硅涂料,还有近年来新兴的冷镀锌涂料,下面逐一加以介绍。

1、桥梁用防腐蚀面漆

1.1醇酸树脂涂料

醇酸树脂是用油料、多元醇、多元酸通过酯化缩聚制备而成的一种酯。醇酸树脂涂料的性能与脂肪酸的含量(油度)有很大的关系,醇酸树脂的油度可以分为长、中、短3种。一般情况下,长油度的醇酸树脂主要是通过豆油改性,作为防腐蚀面漆使用。醇酸树脂涂料干燥后,形成网状结构,漆膜不易老化。固化后的漆膜中残留有羟基和羧基,这些极性基团使漆膜具有比油性漆更好的附着力。醇酸树脂涂料具有干燥快、保色性好、附着力好等特性,但耐酸碱性和耐水性差。对于酸雨严重的地区(如:重庆)和水下钢结构的使用有局限性。目前在桥梁面漆上使用的大多是醇酸树脂与各种树脂拼用改性的品种。

1.2含氯橡胶涂料

在桥梁用面漆中通常使用的是氯化橡胶涂料。涂料用橡胶树脂以天然或合成橡胶为原料,经过氯化改性而制得。氯化橡胶涂料是天然橡胶经过炼解或将异戊二烯橡胶溶于四氯化碳中,通氯气而制得的白色多孔性固体物质,漆膜致密而发脆,常加入氯化石蜡作为增塑剂。由于该类涂料成膜物大分子中引入了氯元素,构成了极性较大的C—Cl键,所以,涂膜有较好的附着力,良好的耐水、酸、碱、盐及防腐性能。但涂膜不耐高温,高温下易析出氯化氢气体而降解,使用温度一般不超过60℃。氯化橡胶是将橡胶在四氯化碳中通氯气后再在水中析出,成品中残留有较多的四氯化碳,污染大气,受到环保的限制,有些厂商已经停产或者减产。同时氯化橡胶面漆由于耐候性不强,两三年后会出现粉化,于是耐候性较为突出的脂肪族聚氨酯面漆,特别是有良好重涂性能的丙烯酸改性聚氨酯面漆,很快就取代了氯化橡胶面漆。

1.3聚氨酯树脂涂料

分子结构中含有氨基甲酸酯链节的涂料为聚氨酯涂料,通常是由异氰酸酯和含羟基(或羧基)化合物反应制得。因为漆膜中含有大量氢键,漆膜坚韧、耐磨、光亮、丰满,同时漆膜有着良好的耐蚀性;芳香族聚氨酯涂料综合性能好、品种多、应用广,但有一个严重的缺陷,即漆膜在受到紫外线照射时易变黄、失光,而脂肪族聚氨酯面漆则无此缺点,具有较高的耐候性,可以作为高档面漆使用。聚氨酯涂料之所以得到广泛的应用,最关键的是聚氨酯中的异氰酸酯的多官能团决定了其可与多种树脂拼用改性以满足不同的使用要求。能与之在一起拼用的树脂有聚酯、聚醚、环氧、醇酸、羟基丙烯酸、有机硅树脂等。当前以HDI缩二脲、HDI三聚体为固化剂的丙烯酸聚氨酯涂料在桥梁防腐蚀面漆中应用居多。

1.4氟树脂涂料

分子主链或侧链含有氟碳键(F—C)的聚合物为氟碳树脂。有机氟聚合物是由乙烯分子中的氢原子被氟原子取代后的衍生聚合物。由含氟单体,如:四氟乙烯、三氟氯乙烯、偏氟乙烯等通过均聚或共聚反应制得。由于氟碳键的键能是有机化合物共价键中键能最大的,这就赋予了氟碳防腐蚀涂层良好的物理化学稳定性。其性能概括如下:

(1)抗紫外线能力超强。

氟碳树脂中的F—C键的键能为485kJ/mol,F—C键非常稳定。氟碳树脂对太阳光紫外光区(220~400nm)的中长波可以透过95%以上,只有220nm及小于220nm波长的紫外光能破坏F—C键,但太阳光中这些短波紫外线所占比例很小,而且易被大气臭氧层吸收,很少能到达地面,因此氟碳涂料的抗紫外线能力很强。

(2)优异的化学稳定性。

氟原子具有最高的电负性和较小的原子半径,F—C键的键能最大,碳链上的氟原子排斥力大,碳链呈螺旋状结构被氟原子包围,具有屏蔽效应,从而决定氟聚合物具有极高的化学稳定性。

(3)突出的抗沾污性和自洁性。

由于F—C键的键能大,极性小,使氟碳防腐层具有低表面能,对水的接触角为80°~110°,表面光滑,粘附性小,不易被污染。所以抗沾污性和自洁性较好。

(4)卓越的耐温性能。

氟碳防腐层的耐温性能很好。聚四氟乙烯防腐层能长期在-50~250℃下使用,瞬间可以耐300℃;常温固化的氟碳防腐层耐温范围在-50~150℃。综上所述,可以看出氟碳涂料有着超强的耐候能力,户外长期的使用和人工加速老化试验结果亦表明:氟碳防腐层的确有着很好的耐候性能。氟碳涂层虽有这么多优点,但实际推广应用较难,原因在于价格高和涂层制备困难。如:聚四氟乙烯(PTFE)本身有着极佳的耐化学品性能,但使用PTFE悬浮液制备涂层时,存在孔隙率高和难以制备厚涂层等缺点,涂层防腐性能差,以致不能单独使用。PTFE中加入聚苯硫醚可以提高涂层的附着力,减少孔隙,涂层的防腐综合性能有所提高。另外,氟碳树脂只有在含氟的溶剂中才能较好地溶解,要生产低VOC含量的产品有难度,同时它的反应物可能会含有异氰酸酯,所以,在环境友好及健康方面仍需改进。

1.5有机硅涂料

有机硅树脂的学名为聚硅氧烷树脂,其主链含有硅氧键,侧基为有机基团的高聚物,涂料用有机硅树脂一般以甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、苯基三氯硅烷、二苯基二氯硅烷及甲基苯基二氯硅烷等为原料进行水解缩聚而成。有机硅树脂有很好的耐温、耐水性、耐化学品和耐紫外线性能。有机硅树脂单独使用时漆膜太软,所以常与其它树脂共混拼用。如醇酸树脂、聚酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂等,在拼用中,这些树脂可以改善漆膜的硬度和干燥速度等,而有机硅树脂则提供保光保色性。有机硅树脂与各种树脂的改性方法各不相同,根据需要可以改性成不同场所需要的涂料品种。下面介绍两种改性聚硅氧烷涂料。

1.5.1环氧聚硅氧烷涂料

使用环氧改性的聚硅氧烷涂料有着突出的物理和化学性能。其涂料的固含量高达90%,VOC的含量大大低于环保法规的限制。单道涂层成膜厚度为75~175μm,没有最大重涂间隔,常温下该涂料的表干和实干时间分别为3h和6h,能满足现场施工时间安排。在桥梁配套使用时,可以省去中间漆,直接在底漆上覆涂环氧聚硅氧烷(因为该涂料的表面张力很低,能与大多数底材和底漆相容)。相对于脂肪族聚氨酯涂料,其使用后期的光泽度保持率是脂肪族聚氨酯涂料的2~3倍。其次环氧聚硅氧烷涂料比聚氨酯类有着更好的耐化学品性能,包括溶剂和无机酸类。

1.5.2丙烯酸聚硅氧烷

使用丙烯酸改性的聚硅氧烷(人称:第二代聚硅氧烷聚合物)对于钢材和有机涂层有着良好的附着力,漆膜的柔韧性好,且具有很好的耐酸、耐溶剂性能,可以低温、低湿固化。耐候性高于脂肪族聚氨酯涂料,为聚氨酯涂料的3~4倍,5000h的ASTMG53测试表明:保光率达95%,而聚氨酯涂料在3000h后,保光率仅为40%。同时与有机和无机底漆的兼容性很好。聚硅氧烷涂料在桥梁面漆上有着广阔的使用空间。

1.6冷镀锌涂料

该涂料主要由锌粉、有机树脂和溶剂组成。从该意义上说,应该归于有机富锌涂料中。该涂料中的树脂是一种环氧和丙烯酸拼用的混合树脂,在使用中可以作底面漆合一,既发挥环氧树脂的良好附着力,同时又发挥丙烯酸树脂的保光性能。但因为涂料中含有高含量的锌粉,在涂膜服役过程中,必然有锌粉的氧化,况且锌是典型的两性物,在受到外界酸碱性不同的雨水侵蚀后,易出现变色现象,但防腐能力不受影响。同时,随着曝晒时间的延长,涂膜变色现象将变得明显。

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