在2013年中，NACE國際公司進(jìn)行了一項(xiàng)研究，該研究證明了由于腐蝕帶來的昂貴且巨大的挑戰(zhàn)，在美國每年總腐蝕成本上升至超過1萬億美元。腐蝕在美國經(jīng)濟(jì)的單項(xiàng)開支中是最大的，據(jù)估計(jì)要超過國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP的6.2%。腐蝕給美國帶來了一個(gè)非常高的價(jià)格標(biāo)簽，僅次于衛(wèi)生保健1。2001年由美國政府資助的一項(xiàng)研究估計(jì)，僅軍事系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕成本每年就約為200億美元2。大部分損失是由于公路和橋梁、輸送管道、儲罐、汽車、船舶、下水道系統(tǒng)等加工制造過程中使用的鋼鐵的腐蝕。腐蝕的成本是金錢和生命，它們會導(dǎo)致危險(xiǎn)性故障，并增加各個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)的費(fèi)用，從公共事業(yè)到交通等等。
有機(jī)涂層除了能提供改進(jìn)的外觀這一主要優(yōu)點(diǎn)外，它們在防止基材腐蝕方面也起著至關(guān)重要的作用。涂料配方設(shè)計(jì)師采用三種基本的策略來對金屬表面提供腐蝕防護(hù)作用：1)涂層作為阻隔技術(shù)，能防止氧氣和水到達(dá)金屬表面;2)使用緩蝕劑和顏料來使金屬表面鈍化;3)用犧牲金屬的方法來進(jìn)行保護(hù)。
阻隔涂層能降低滲透性，從而避免氧氣和水到達(dá)涂膜表面。往往通過使用片狀(云母)添加劑，如片狀滑石、云母和云母氧化鐵及片狀金屬顏料，如鋁顏料，就能賦予阻隔性能。
富鋅底漆是能提供防腐蝕保護(hù)作用，至少是提供部分陰極保護(hù)作用涂層的一個(gè)很好的例子。摻入到涂膜中的金屬鋅作為陽極，并且比鐵基材優(yōu)先腐蝕，因?yàn)殇\比鐵具有更低的氧化還原電位，從而能對鐵表面提供陰極保護(hù)作用。
使用防腐蝕顏料是提高涂層耐腐蝕性能的最廣泛使用的方法之一。防腐蝕顏料與涂膜吸收的水反應(yīng)而釋放抑制性離子，它們遷移到金屬表面，并通過金屬基材上的無機(jī)層的沉積或吸附而使金屬表面鈍化。一直以來都使用基于鋅、鍶和鉻酸鉛的金屬鹽來抑制腐蝕，因?yàn)樗鼈兊年栯x子會在金屬表面形成不溶性沉積物從而增加一個(gè)保護(hù)層來抑制進(jìn)一步的腐蝕。由于它們具有毒性，已經(jīng)開發(fā)對環(huán)境安全無毒的防腐蝕顏料來替代鉻酸鹽。這些無毒的顏料通常是基于磷硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽和偏硼酸的金屬鹽。不像鉻酸鹽，這些陽極部份的顏料功能是通過限制氧擴(kuò)散到金屬表面來實(shí)現(xiàn)的，因此其陽極鈍化金屬表面的作用可能不是完全有效，從而導(dǎo)致其耐腐蝕性較差。
監(jiān)管問題仍將是今后一段時(shí)間內(nèi)的驅(qū)動力，特別是腐蝕抑制劑。最近值得注意的進(jìn)展包括，歐盟(EU)將含有氧化鋅和磷酸鹽產(chǎn)品標(biāo)記特殊危險(xiǎn)性標(biāo)簽，以及職業(yè)健康與安全管理局(OSHA)降低六價(jià)鉻抑制劑允許暴露的限值。
在涂料中加入有機(jī)腐蝕抑制劑是提高涂膜耐腐蝕性能的另一種方法。這些有機(jī)腐蝕抑制劑是基于各種化學(xué)化合物，包括胺類、芳族、雜環(huán)、羧酸、含硫和氮的官能團(tuán)。這些腐蝕抑制劑的作用是通過在金屬基材上的陽極或陰極發(fā)生鈍化，或者在金屬表面形成保護(hù)層而實(shí)現(xiàn)，這些腐蝕抑制劑能擾亂腐蝕性離子在基材上的流動。
已經(jīng)開發(fā)了一些新型腐蝕抑制劑，它們能夠在各種水性和非水性高性能涂料中賦予優(yōu)良防銹性能。這些新型的有機(jī)腐蝕抑制劑可作為主要的腐蝕抑制劑使用或與環(huán)境友好的防腐蝕顏料一起組合使用。它們能與各種工業(yè)應(yīng)用中使用的底漆和直接涂覆至金屬的涂料(DTM)中的各種樹脂兼容。本文介紹了我們最近的一些嘗試，使用這些新型腐蝕抑制劑來改善各種涂料的耐腐蝕性能。
討論
目前涂料市場的主導(dǎo)性趨勢是在高性能涂料體系中不使用底漆，在DTM應(yīng)用中采用強(qiáng)化面漆來代替。由于不使用底漆，這種方法可省去與底漆施工相關(guān)的成本，從而降低了總成本。不足之處是降低了耐腐蝕性以及由底漆提供的附著力。在DTM涂料中加入無毒的抗腐蝕顏料可提高涂層的耐腐蝕性，但防腐蝕性能通常沒有使用底漆的體系好。解決這一不足的方法是將一種有機(jī)腐蝕抑制劑添加到DTM涂料中，同時(shí)加入無毒的防腐蝕顏料。
在過去，底漆體系中使用的有機(jī)腐蝕抑制劑是基于磷酸鹽、磺酸鹽和羧酸鹽。這些化學(xué)品效果不錯(cuò)，但經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在DTM涂料中使用時(shí)存在缺陷。具有改進(jìn)的耐腐蝕性的DTM涂料研發(fā)需使用更強(qiáng)的有機(jī)腐蝕抑制劑，它們與無毒的防腐蝕顏料一起起到協(xié)同作用。
為了解決這一問題，研發(fā)了一些新的液體腐蝕抑制劑，它們是基于復(fù)雜的有機(jī)酸的金屬鹽。這些抑制劑單獨(dú)使用和與無毒的防腐蝕顏料一起使用時(shí)都能提供改進(jìn)的耐腐蝕性和濕附著力。當(dāng)應(yīng)用于丙烯酸或聚酯多元醇與脂肪族異氰酸酯交聯(lián)的溶劑型雙組份聚氨酯體系中時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品尤其有效。
雙組份聚氨酯DTM涂料
為了證明這些新型腐蝕抑制劑的功效，將它們用于各種DTM涂料中并與更常規(guī)的有機(jī)腐蝕抑制劑進(jìn)行比較。在第一個(gè)配方中，用丙烯酸多元醇制備白色雙組份聚氨酯涂料，并用脂族HDI三聚體與多元醇進(jìn)行交聯(lián)。該體系配制的顏料與基料之比為1:1。體系中含有5%(質(zhì)量比)的鍶、鋅、磷硅酸鹽防腐蝕顏料。涂料分別用2%(質(zhì)量比)的常規(guī)金屬磺酸鹽腐蝕抑制劑和2%(質(zhì)量比)的一種新型金屬絡(luò)合物抑制劑NACORR?XR-424進(jìn)行改性。將兩個(gè)樣品與一個(gè)僅含有防腐蝕顏料但不含有機(jī)腐蝕抑制劑的對照板進(jìn)行比較。在用磷酸鹽處理的1000邦德板鐵板上施涂，制備干膜厚度為1.5-1.7密耳厚的涂層，然后在室溫下固化7天。然后將板放在鹽霧箱內(nèi)，按照ASTM試驗(yàn)方法B117曝露500小時(shí)。將曝露后的板從柜中取出后立即使用金屬刮刀按ASTMD1654中7.2條描述的方法進(jìn)行劃痕。如圖1中可以看到的，與傳統(tǒng)的有機(jī)抑制劑和僅使用防腐顏料的對照品相比，新型腐蝕抑制劑提供更好的濕附著力和防銹保護(hù)性能。
在第二種配方中，一種加了較多顏料的白色雙組份聚酯多元醇配方，配制成1.5:1的顏料與基料比，同時(shí)加入5%(質(zhì)量比)的防銹顏料。在這種情況下，防腐蝕顏料是硅酸鈣類型的顏料。再次將配方與HDI三聚體進(jìn)行交聯(lián)，分別用2%(質(zhì)量比)的常規(guī)金屬磺酸鹽腐蝕抑制劑和2%(質(zhì)量比)的一種新型金屬絡(luò)合物抑制劑NACORR1389MS進(jìn)行改性。將兩個(gè)樣品與一個(gè)僅含有防腐蝕顏料但不含有機(jī)腐蝕抑制劑的對照板進(jìn)行比較。在邦德板上涂裝干膜厚度為1.4-1.6密耳厚的涂層，然后在室溫下固化7天。然后將板放在鹽霧箱內(nèi)，按照ASTM試驗(yàn)方法B117曝露500小時(shí)。將曝露后的板用金屬刮刀進(jìn)行劃痕。同樣可以看到，與使用傳統(tǒng)有機(jī)抑制劑的對照品相比，使用新型腐蝕抑制劑能夠改善防腐蝕性能。
水性熱固性體系
盡管這些新型腐蝕抑制劑是為不使用底漆的DTM涂料研發(fā)的，它們也可以用于底漆體系。用可稀釋型聚酯與六羥甲基三聚氰胺六甲醚交聯(lián)來配制水性熱固性鐵紅底漆。該配方將氧化鐵紅作為主要防銹顏料，磷硅酸鋅鍶用作第二種防腐蝕顏料，其用量為總配方質(zhì)量的2.5%。顏料與基料比為1:1。配方用2%常規(guī)的有機(jī)抑制劑和2%新型金屬絡(luò)合物抑制劑NACORRXR-419進(jìn)行處理。再次將兩個(gè)樣品與僅使用防腐蝕顏料的對照板進(jìn)行比較。將涂料施涂到1000邦德板上，得到干膜厚度約為1.0-1.2密耳厚的涂層樣板。然后將樣板在150℃(300°F)的烘箱中固化15min。然后將樣板放入鹽霧箱內(nèi)曝露500小時(shí)。將曝露后的樣板從中取出并進(jìn)行檢查。如圖3中可以看到，與對照配方相比，新型腐蝕抑制劑的性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的抑制劑。
結(jié)論
在直接涂覆至金屬涂料(DTM)中，這種新一代液體有機(jī)腐蝕抑制劑可以用來增強(qiáng)無毒防腐蝕顏料的性能。它們與這些顏料可以產(chǎn)生協(xié)同作用來提高耐腐蝕性，允許配方設(shè)計(jì)師可以不用底漆，以滿足條件不太苛刻的金屬防腐蝕的應(yīng)用需求
