水性防锈漆周周谈:金属腐蚀的机理和水性防腐涂料的设计

水性金属防锈涂料是涂料水性化过程中比较具有挑战性的一个领域。水的存在是金属防锈的大忌,然而我们却要开发水性防锈涂料,这便是我们的挑战。要开发优质的水性防锈涂料,必须从机理上对金属锈蚀,及涂料配方中各组分的功能,有科学的理解。目前,国内外有关防腐蚀的文献,大都局限在各自学科的语言环境内,物化说物化的,电化学说电化学的,有机说有机的等等,还没有能够从配方者的角度,综合各类学科的成果而针对配方的实际问题给予指导的理论性文献。本周及以后数周的周周谈,想在这方面作些努力,与同行进行比较深入的交流。

首先从几个角度谈谈金属腐蚀的机理

物理化学的金属腐蚀理论:

物化理论大多是以能量的概念解释某个事件发生的难易程度。关于腐蚀的物化理论基本上大家在本科无机化学课程上都学过,这里就赘述了,有兴趣的同行可以参照大学教材有关自由能与电势电位关系的内容。简而言之,金属腐蚀大多是金属与氧气在有水的条件下的反应。在这些反应中,金属被氧化,形成金属离子,氧气被还原形成氢氧化合物,或者是水或者是OH离子。根据这些反应的自由能(主要是反应热)可以推断出某种金属是否容易生锈。这个物化理论除了告诉我们金属之间的区别,还能够告诉我们,金属的腐蚀是与酸碱性有关的,因为OH是该类反应中的一个重要角色。对于铁一类的金属,碱性提高(pH值上升)通常可以降低腐蚀的趋势。宏观物化理论的缺陷,在于它基本不涉及具体反应的微观机理,因此除了调节pH值以外,无法给我们更多的配方上的指导。

电化学的金属腐蚀理论:

电化学则是对腐蚀过程的研究。原电池的概念和试验手段被使用。一系列的电化学术语则用来描述这个过程。金属被氧化,其形成金属离子的位置为阴极;氧气被还原,其变成氢氧化物的位置为阳极。阴极与阳极之间由导电体(通常是金属自身和水)连接,使得反应中的电子自由流动,形成原电池。该学科主要研究金属的锈蚀过程,比如金属的表面的晶态结构对锈斑形状的影响等等。对理解锈蚀的具体形成有非常好的指导意义。电化学的防锈蚀理念因此份阴极防锈和阳极防锈,即保护金属或隔绝氧气。由于大多数涂料工程师对电化学的术语比较生疏,所以这方面的理论没有能够在涂料领域普及。

华工的涂料工程师的基本理论

涂料工程师都是材料科学的同学,大家有着材料学的语言。我们为了更好地交流,在这里用业内比较常用的术语和概念来讨论一下控制金属腐蚀的主要因素。结合物化和电化学的基本知识,我们可以看出,金属,氧气,水和离子是金属腐蚀过程中的主要角色。其中,金属和氧气是金属氧化反应的根本原因。水和离子的存在则为原电池反应的形成,氧化反应的加速提供了催化剂。因此,从涂料配方的角度,要做好防锈蚀,就要尽量把这四个因素都照顾好。即隔绝金属与氧气和水的接触,限制氧气的存在,限制水在涂层中的存在,并限制可游离的离子的存在。接下来,我们从这四个方面稍作展开讨论。

防锈四大要素

1)隔绝金属与环境的接触

隔绝金属主要有钝化及提高树脂附着力两个概念。钝化是指在金属表面形成一层致密的无机物的膜,从而阻止金属与水和氧气的接触。日常生活中钝化的经验很多,比如我们常用的各种铝制品,由于表面氧化铝的存在,使得本来活泼的铝金属能够长时间使用而不腐蚀。大部分的防锈颜料,包括铬酸盐,磷酸锌,三聚磷酸铝等,都主要是通过钝化来起到防锈功能的。隔绝金属的另一个办法是提高树脂在金属表面的润湿及附着。附着力的提高意味着树脂与金属表面微观孔隙的减少,降低金属与氧和水接触的可能性。水性电泳漆的防锈效果比其他水性漆高很多,其主要原因就是电泳的工艺可以保证树脂进入到金属表面的微孔之中,形成致密的结合。

2)限制氧气的存在

氧气是很小的分子,极性也很低,在所有的树脂中的渗透性都很强。如果不作限制,氧气会迟早渗透到金属表面进行反应。唯一能够限制氧气的办法就是使用抗氧剂, 即让氧气与抗氧剂反应而失去活性。抗氧剂的种类很多,千差万别,很多被作为防锈剂,添加剂使用。当然,抗氧剂的结构不同,其有效性和时效性也会不同。

3)限制水在涂层中的存在和渗透

水与氧气略有不同。虽然都是小分子,但极性差别很大。树脂的极性越高其抗水性越差,交联密度越高抗水性越好。除了树脂高分子本身的结构以外,很多水性树脂含有乳化剂或分散剂。这些添加剂都是亲水的,而且会在水性树脂干燥后存留在体系中,对涂层长期的防水性有负面影响。因此,从防锈性能的角度考虑,配方中应该尽量少用分散剂。

4) 限制可游离的离子

离子的存在,使水的导电性增加,原电池反应更容易,腐蚀加快。涂层中可游离离子的来源有多种。树脂的合成过程中会带入离子。比如很多环氧树脂含有氯离子。该氯离子来自环氧树脂原料之一的环氧氯丙烷。此外,涂料中加入的各种颜填料也会在水中释放出不同程度的离子。因此,涂料配方中如能引入离子吸收材料,也能提高涂层整体的抗腐蚀性。

以上从防腐蚀的机理上讨论了如何把涂料防腐作为一个系统问题来考虑。希望大家能在配方时有个基本思路,从而摆脱盲目测试的旧模式,使工作更有针对性。

张工大家好, 我是华工,做水性涂料十年了。随着中国政府对环境保护的日益重视以及客户自身要求的提升,水性金属防锈涂料近年来在中国得到了长足的发展。越来越多的客户来找我咨询水性防锈漆的配方和应用的问题。在和大家都交流中,我看到了中国从南到北开发水性产品的热情,同时也感受到了第一线技术人员切切实实遇到的各类问题。为了能帮助更多水性防锈涂料配方和施工人员,我特地开通了“水性金属防锈漆周周谈“专栏,希望和大家多交流。如果您有对水性防锈涂料有问题,请通过“提问水性漆专家”栏目直接联系我。

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