环保型钢箱梁内壁重防腐涂料的研制

张然

河北金达涂料有限公司 河北石家庄 052460

我国自改革开放以来，城镇高速公路建设发展越来越迅猛，钢结构、混凝土桥梁作为公路建设重要组成部分也得到相应发展，城市高架桥、城市立交匝道桥相继开工，并投入运营。钢箱梁桥因其跨越能力强、工厂加工制造速度快、施工对桥下交通影响小等优点在桥梁建设中得到广泛应用。

钢结构桥梁的主要失效原因是金属腐蚀，近年来随着环境污染问题的日益严重，钢箱梁桥梁每年因金属腐蚀造成的经济损失约占国民经济总值的1-5%，据统计，每年城镇桥梁腐蚀率占20-35%，钢桥防腐蚀涂装及维修费占钢桥建设费用的15%以上[1]。钢箱梁桥内壁因附属设施的损坏或附属功能的失效，如除湿系统发生故障、排水不畅等；或者桥梁在施工过程中及成桥后的降雨过程中均会发生箱梁积水问题，而钢箱梁桥内的积水很难排除，只能靠自然蒸发消耗，雨水的短期沉积不会对结构性能产生影响，但长期的雨水浸泡会引发钢板的快速锈蚀，严重威胁结构安全。因此对钢梁内壁进行防护显得尤为重要[2]。

目前钢箱梁内壁防护涂料多采用溶剂型体系，但是因钢箱梁内部空间限制，施工环境恶劣，且施工过程中产生大量挥发性有毒气体，对环境及施工人员造成了伤害。且随着人类环境意识的提高，尤其2015年史上最严《环保法》开始正式实施，涂料行业的发展朝着环境友好型方向发展。本项目产品是水性化产品，安全环保。生产、施工过程中均无挥发性有毒气体产生，特别适用于钢箱梁内部钢制材质的长期防护，具有极其重大的经济效益和现实意义。

1 环保型钢箱梁内壁重防腐涂料的制备

1.1 基本配方

本涂料的基础配方如表1所示，由自制水性环氧树脂乳液、自制水性环氧固化剂、石墨烯、磷酸锌、三聚磷酸铝以及其他颜填料和助剂组成。其中，水性环氧固化剂、水性环氧树脂作为涂层的成膜物质；配方中的防锈颜料主要是三聚磷酸铝、氧化铁红、磷酸锌、石墨烯；助剂包括润湿分散剂、消泡剂、防闪锈剂、流平剂等。

表1 环保型钢箱梁内壁重防腐涂料配方

1.2 原材料的选择

（1）成膜物质的选择。环氧树脂因其优异的力学性能、粘结性能、加工性能及耐腐蚀性能，在防腐蚀涂料中占有至关重要的地位，被广泛应用于复合涂层的底漆和中间漆。本文以化学改性法制备水性环氧树脂乳液，不仅乳液颗粒粒径小，乳液稳定性高，且在水中具有良好的分散性，固化剂为多元胺改性水性环氧固化剂，这种改性固化剂与水性环氧树脂乳液具有良好的混溶性，两者配合具有优异的耐盐雾性、耐水性，施工适用期长，完全适用于重防腐涂装。

（2）防锈颜料的选择。颜填料的选择对水性涂层的防腐性能有较大影响，由于水性环氧固化剂成弱碱性，所以环保型钢箱梁内壁重防腐涂料中一般选用吸油量低性能稳定的颜填料，避免使用酸性和吸水性高的颜填料[3]。本文选用氧化铁红、三聚磷酸铝、磷酸锌配合使用，并加入新型功能性防腐材料--石墨烯，石墨烯的屏蔽作用和氧化石墨烯的键合作用，进一步提高涂层的防腐性能。

（3）助剂。助剂是涂料体系组成的重要组分，在涂料的使用、施工及储存过程中具有重要作用，本涂料综合各方面影响因素，选用的助剂有润湿分散剂、消泡剂、流平剂、防闪锈剂。其中润湿分散剂为高分子聚合物型，该产品与配方体系具有良好的相容性，能是颜填料稳定分散到体系中，提高了产品的贮存稳定性，同时避免了漆膜过程中产生浮色。消泡剂选用非硅型消泡剂，具有良好的相容性，且提高了漆膜复凃性。除此之外，配方中的闪绣抑制剂采用一种新型无毒环保产品，该产品能阻止金属地材表面发生阴极反应，还能阻止铁的离子化，从而避免被空气中的氧离子氧化，有助于提高水性涂料的耐盐雾性。

1.3 涂膜性能

将涂料的A、B组分按质量比20：4配漆制板，其漆膜性能检测结果如表2所示。

表2 涂膜性能检测结果

1.4 环保型钢箱梁内壁防腐涂料防腐蚀机理解析

通过加入改性三聚磷酸铝、磷酸锌配合使用，三聚磷酸铝为白色颜料，微溶于水，在涂层下溶解时电离出P3O105-，在阳极部位与金属离子结合成不溶的钝化膜，该膜硬度高，附着牢固，即便在最容易生锈的钢梁内壁风嘴部位也能提供优秀的缓蚀保护[4]；磷酸锌的防锈机理在于能在金属表面和Fe3+形成附着牢固的络合物Fe[Zn(PO4)3]沉淀层而抑制阳极反应，同时能与涂料中的羟基、羧基络合，使颜料-涂料-底材之间形成化学结合而提高涂层的附着力和抗渗透性。磷酸锌-改性三聚磷酸铝具有较好的稳定性，无毒、耐水性和防腐蚀性较好，能在金属表面形成附着牢固的络合物，起到强效和长效防锈的作用。

石墨烯的防腐蚀机理主要体现在两个方面，一是其片层结构对腐蚀性介质具有较好的屏蔽作用，延长了腐蚀介质到达涂层/金属界面的路径，腐蚀后期的腐蚀产物逐渐堵塞石墨烯片层与片层之间的缝隙，进而形成致密的屏蔽涂层，进而提高涂层的耐腐蚀性能；同时石墨烯的加入改善了涂层的疏水性，使得水分子更难进入涂层内部，间接提高的涂层的耐腐蚀性能[5]。二是石墨烯中的环氧基、羧基等基团能够与多元胺类固化剂发生反应，使得环氧树脂和石墨烯通过固化剂分子以化学键的形式连接在一起，从而提高了涂层内部的交联密度，形成更加致密的三维立体结构，使得涂层耐腐蚀性能进一步提高。

2 结语

环保型钢箱梁内壁重防腐涂料不但符合环保要求，而且在密闭空间使用安全、施工方便，通过添加功能性石墨烯、三聚磷酸铝、磷酸锌等防锈颜料，赋予涂层优异的耐腐蚀性，在环保要求日益严峻的环境下，为钢箱梁桥梁内壁的防腐蚀防护提供了新的选择。尤其现如今，我国正处于大型桥梁建设的高峰期，预计10a后这些桥梁将陆续进入维修期，再加上目前已经进入维修期的大量中小型桥梁，未来桥梁建设及维修用涂料的市场是非常的巨大的。