有机硅耐候型弹性防腐涂料的制备及其在钢结构防腐上的应用研究
樊波，陈世龙，张春辉，张举明
（浙江凌志新材料有限公司, 浙江临安311305）
0 引言
采用防腐涂料涂覆钢结构一直是现代工业上经济、有效的金属保护手段之一。近年来，由于钢结构所处的环境越来越恶劣，强酸碱环境、高盐雾环境、高温差环境以及高湿度环境都对传统防腐涂料的使用效果和寿命提出了严峻的考验。尤其是在高纬度和沿海地带， 昼夜温差以及四季温差较大的情况下，钢结构在反复的温度梯度作用下将不断发生膨胀变形和恢复形变，这将导致金属表面的防腐涂料被迫发生形变。传统的防腐涂料在如此反复作用下势必发生开裂现象，被保护金属的腐蚀现象也随之发生。
涂层失效的形式种类繁多， 但开裂和脱落的失效形式将会导致涂层丧失对基材的保护作用。在温度梯度的存在下，钢材将发生一定程度的膨胀或收缩，材质为Q235-B 的钢材膨胀系数为1.2×10-5 m/℃，是混泥土的1.7 倍。普通醇酸、丙烯酸和环氧防腐涂料等，本身线性膨胀系数小，在基材长期热胀冷缩的形变作用下必然导致涂层裂纹的产生，涂层开裂将导致防腐作用的失效。
图1 为某油库中储油罐表面防腐涂料由于开裂引起的腐蚀现象，整个油库区油罐的腐蚀几乎都是涂层开裂引起的基材破坏，腐蚀严重的地方其深度已经达到几个毫米。据油库工作人员介绍，该厂区所用涂料每半年或一年都要进行翻新、补缝和重涂，造成非常大的经济成本。
面对如此严重的开裂导致防腐失效的问题，目前市面上常用的手段就是向常规涂料中添加一定含量的增韧剂来提高涂料的韧性，从而达到防止涂层开裂的发生。此方法在一定程度上抑制了涂层开裂的现象，但并不能耐受较高温度梯度的冲击。
1 实验
1.1 实验原材料
α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、端羟基聚苯基甲基硅氧烷：溶力；氟改性聚硅氧烷、聚醚改姓聚硅氧烷、含氟偶联剂：自制；金红石型钛白粉：杜邦R906；三聚磷酸铝、磷酸锌：常州天祥；气相白炭黑、复合防锈颜料和助剂若干：市售。
1.2 实验设备
真空混合机（NHZ-5）：如皋市兴业机械厂；高速分散机（JFS-550）： 广美精密仪器； 三辊研磨机（S150）： 龙鑫化工机械有限公司； 电子拉力试验机（DXLL-1000）：上海登杰机械设备有限公司；数字式黏度计（SNB-3）：上海精天电子仪器有限公司；盐雾机（YQ-0250）、高低温湿热交变试验箱（GDW/SJ-0300）：奥斯韦特科技有限公司；刮板细度计（QXD）：天津市精科材料试验机厂；恒温恒湿箱（LHS-250HC-I）：上海一恒科学仪器有限公司。
1.3 制备工艺
先将树脂、填料加入真空混合机中，在加热、真空条件下充分混合2~3 h； 待混合料冷却至室温后出料，三辊研磨至细度为35 μm 以下； 将细度合格后的混合物料、颜料、稀释剂和助剂分别加入高速分散机中，室温抽空条件下分散30 min；调节至合适黏度后过滤包装。
1.4 制板
按照标准检测要求，采用空气喷涂的方式制备符合检测要求的样板，并按标准要求对所制样板进行养护，养护期后测试各项性能。
2 实验结果
2.1 产品性能
有机硅弹性防腐涂料的性能，见表1。
2.2 填料表面处理
由于部分填料吸油值较高，未经改性处理的填料表面均含有大量的羟基，这些羟基的存在一方面导致填料粒子通过氢键自身团聚，另一方面，羟基导致填料呈现亲水性，与作为连续相且具有憎水性的聚硅氧烷的相容性变差。因此添加少量便会引起树脂黏度的大幅度升高， 此时很难再继续加入其他功能性填料，所以需要对这些填料表面进行疏水性处理。本研究采用苯基有机硅单体、六甲基二硅氮烷、硅烷偶联剂等处理剂对填料进行表面改性。
2.3 疏水性能的提升
暴露在自然条件下的防腐涂料要求有极佳的疏水性能， 良好的疏水性可有效防止水分进入被保护的金属材料中， 同时还有利于在下雨时水滴将涂层表面的灰尘带走，起到自清洁的作用。有机硅弹性体涂料主要成膜物质的极性较弱，表面能较低，本身就具有良好的疏水效果，这也是有机硅涂料的优势所在。但在防腐涂料应用时，由于环境较为恶劣，不仅存在自然的风吹日晒雨淋， 而且还会受到腐蚀性气体溶解于水中对涂层的影响，因此对涂料的疏水性提出了更高的要求。
为了进一步提升疏水性能，本研究在交联体系中引入侧链含有三氟丙基的端羟基聚硅氧烷和含氟偶联剂，在固化阶段可以通过交联反应引入到弹性防腐涂料中。这些含氟基团的引入可以进一步降低涂料的表面能， 从而使得涂料的疏水性能得到进一步提升。同时，含氟基团的引入还可以提升涂料的疏油及耐油性能，可以为待保护钢结构提供更多方面的保护。
2.4 自洁性的提升
有机硅弹性体的主要有机物质为聚硅氧烷的交联网络。由于聚二甲基硅氧烷的极性较弱，分子间作用力极小，就导致交联未完全的聚硅氧烷分子或链段有较强的活动能力，从而可迁移至涂料表面，造成涂料对灰尘的吸附作用增强。涂料使用一段时间后表面会积累一层尘土，而严重的灰尘积累不仅会使得涂料颜色暗淡，长期的表面污染还会导致霉菌和青苔的滋生，严重影响涂料的美观及耐久性能。因此，必须改善涂料的自洁性能，才能保证涂料的长期效果。
为了改善自洁性能，本研究采用引入多官能团的有机硅树脂来提升交联网络的交联度，降低交联网络内分子链及链段的活动性，降低涂料表面对灰尘的吸附能力，促进灰尘的滚动及滑落。通过这些改进措施，涂料的自洁性能获得了较大的提升。
3 应用案例
有机硅弹性耐候防腐涂料经研发成功后，已经陆续运用到大大小小十几个项目中， 并获得用户的认可，在防腐蚀和耐候方面得到了用户的肯定。以下仅分享几个具有代表性的项目。
3.1 台州某污水处理厂太阳能支架防腐项目
该厂位于东南沿海地带， 属于海洋性气候影响区。空气盐分含量高，相对湿度大，昼夜温差大。加之工厂处于化工园区，气体成分复杂，腐蚀性强。工厂钢结构腐蚀非常严重，如图2 所示。
该地区恶劣的环境条件使得涂料必须具有优异的耐酸碱性、耐盐雾性、耐候性和耐水性等。厂区负责人经多方面比较，终决定采用弹性防腐涂料。2015年4 月，由专门施工人员进行现场指导施工。运行至今2 a 有余，防腐蚀效果良好，如图3 所示。
3.2 衢州某化工有限公司
该公司周围化工厂林立，各种工业气体复杂。浙南地区雨水充沛， 腐蚀性气体与雨水混合后直接对涂层造成破坏。环境相对湿度大，加速了钢结构的腐蚀。该厂区的钢结构储罐、护栏、支架等都出现了比较严重的腐蚀现象。我司于2016 年对其中一个储罐进行试涂装，经过1 a 左右的试运行，今年开始大量采购弹性防腐涂料用于其余储罐的涂装工程。
3.3 浙江某油库储罐及管道防腐项目
该油库位于浙江某江边，空气湿度较大，四季温差明显，厂区钢结构储罐以及管道到处可见涂层开裂引起的严重腐蚀现象（图4）。据该厂区负责人介绍，储罐每年至少进行一次修补，情况严重的甚至需要重新涂刷。尽管如此仍然出现较大面积的腐蚀现象，而绝大部分都是由涂层开裂引起的，如图5 所示。
该油库负责小组经调研以及到公司实地考察之后，决定采用有机硅弹性耐候防腐涂料，并于2017 年开始施工，目前涂覆涂料的储罐正在试运营阶段。
4 结语
本研究所制备的有机硅弹性耐候防腐涂料兼具有优异的防腐性能、耐候性能和良好的弹性。耐盐雾时间长达2 500 h 以上，耐酸碱时间达到3 600 h，在紫外光下1 000 h 涂层不粉化、不脱落，拉伸强度＞4.0 MPa，断裂伸长率达到230%以上， 涂层具有优异的防腐耐候性能，既能保证良好的防腐性能还延长了涂料的使用寿命，节约了材料成本和人工成本，为金属防腐涂料的发展提供了一种新的思路。
