基于镀锌涂层的铁塔表面防护技术研究进展

摘要：随着网络通信需求的逐年增长，提高通信铁塔钢结构的使用寿命势在必行。这就需要深入研究铁塔钢结构的防腐方法，增强其防腐能力。目前，铁塔防腐涂层主要采用镀锌涂层。镀锌涂层制备技术主要有4种，即热镀锌、冷镀锌、热镀锌+有机涂层、冷镀锌+有机涂层。基于此，综述镀锌涂层制备技术的研究现状，以增强涂层耐蚀性、耐候性、耐盐雾性、附着能力和机械性能，确保铁塔表面得到良好防护。

关键词：镀锌涂层；铁塔表面；防护；热镀锌；冷镀锌；有机涂层

中图分类号：TG174.23；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）09-0-05

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Research progress on surface protection technology of iron towers based on galvanized coating

WEI Wei1， TAO Xinyi2， LI Binchuan2， WAN Tao2， LI Ning1， QI Baojin1， SUN Rufeng1， AN Yifei1， AN Guisheng1， FU Daxue2

（1. Liaoning Branch of China Tower Corporation Limited， Shenyang 110167， China;

2. School of Metallurgy， Northeastern University， Shenyang 110819， China）

Abstract： With the increasing demand for network communication year by year， it is imperative to improve the service life of communication tower steel structures. This requires in-depth research on the anti-corrosion methods of iron tower steel structures to enhance their anti-corrosion capabilities. At present， the anti-corrosion coating for iron towers mainly adopts galvanized coating. There are four main techniques for preparing galvanized coatings， namely hot-dip galvanizing， cold-dip galvanizing， hot-dip galvanizing + organic coating， and cold-dip galvanizing + organic coating. Based on this， the current research status of galvanized coating preparation technology is summarized to enhance the corrosion resistance， weather resistance， salt spray resistance， adhesion ability， and mechanical properties of the coating， ensuring that the surface of the iron tower is well protected.

Keywords： galvanized coating; tower surface; protection; hot-dip galvanizing; cold-dip galvanizing; organic coating

在实际应用中，金属材料通常都面临腐蚀问题。腐蚀是金属和周围环境发生化学反应而导致的一种破坏性侵蚀。腐蚀不仅会导致金属材料的塑性、韧性和强度等力学性能大幅下降，使金属构件的形状遭到损坏，还会造成零件间的磨损加剧，破坏金属材料光学和电学等物理性能，使服役设备的使用寿命大幅度缩短，甚至会造成爆炸、火灾和中毒等灾难性事故。据估测，全球每年因为腐蚀报废的钢铁设备占据年产量的30%[1]。2014年，中国主要代表性工业部门因腐蚀而引起的成本增加的全国性调查结果表明，中国腐蚀总成本估值为21 278亿元，占当年国内生产总值（Gross Domestic Product，GDP）的3.34%。研究表明，采用适宜的防腐方法可以节省15%～35%的腐蚀成本，这意味着仅在中国，每年就可以节省高达7 747亿元的腐蚀成本[2]。目前，研究者主要采用表面涂层、电化学保护、新型合金等技术来抑制金属腐蚀。其中，防腐涂层是最有效、最常用且最简单的方法。

防腐涂层是指附着于物体表面，在一定条件下能形成薄膜而起保护、装潢或其他特殊功能（绝缘、防锈、防霉和耐热等）的固体材料。它主要有3点作用，即保护、装饰和提高产品的综合性能。防腐涂层能接受各种酸、碱、盐类的溶液、蒸汽和固体的腐蚀。金属基底附着涂层的主要目的是将腐蚀性物质与金属基底隔离，有效切断腐蚀路径或延长腐蚀路径，从而大大降低腐蚀的发生率，它是金属基体腐蚀防护的有效措施之一。金属基体的防腐涂层可分为无机涂层、有机涂层以及复合涂层。随着网络通信（尤其是第五代移动通信技术）需求的逐年增长，通信铁塔的数量亟待增加，钢结构的使用寿命亟待延长。提升铁塔防腐抗锈蚀能力，延长铁塔使用寿命，一方面助力打造“健康塔”，提高铁塔外涂层的腐蚀耐候能力，提升铁塔资产健康度；另一方面助力打造“长寿塔”，延长超折旧期的铁塔使用寿命，最大限度发挥资产效能，创造经济效益。基于铁塔的腐蚀行为，综述镀锌涂层制备技术的研究现状，如热镀锌、冷镀锌、热镀锌+有机涂层、冷镀锌+有机涂层，以提高其耐蚀性、耐候性、耐盐雾性、附着能力和机械性能，实现铁塔表面的有效防护。

1 热镀锌

热渡锌也叫热浸锌或热浸镀锌，其主要工艺流程为碱洗脱脂→水洗→酸洗除锈→水洗→浸溶剂助镀→热镀锌→水冷→钝化。锌比铁更活泼，可发挥阴极保护作用。镀膜时，锌为熔融状态，其对钢件的形状、大小的适应性强。热镀锌原材料来源广泛，工艺成本低，效率高。因此，铁塔材料最常用和最有效的防腐方法是采用热镀锌涂层。

热镀锌涂层可满足内陆环境下铁塔的防护要求。但是，沿海地区湿度大，盐雾浓度高，热镀锌涂层不再适用于铁塔的防护。为扩大热镀锌涂层的应用领域，可采用热镀锌合金技术，有效提高热镀锌涂层的防腐性能。王茂法[3]以纯锌为基础，添加Al、Ni调整镀锌液成分，通过扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电化学工作站研究热浸锌镀层的组织与耐腐蚀性能。结果表明，Ni元素的主要作用是抑制圣德林效应，使镀层的结合强度和外观质量均得到提高，合金镀层与基体冶金结合，提高涂层的耐腐蚀性。相较于纯锌涂层，Zn-Al-Ni镀层腐蚀速率降低59.6%。郭大伟等[4]的研究表明，镀层充分进行合金化处理，较佳比例的Zn-Fe金属相会使得涂层具有良好的抗腐蚀能力。在Zn-Fe合金相中，铁含量越高，合金平衡电位越高，热力学稳定性越好。Cu的添加也有助于提高涂层的耐蚀性。Wang等[5]在AZ31镁合金表面镀上一层含Cu中间层的锌涂层，锌镀层厚度约为100 μm，Cu中间层和镁合金之间的界面处形成反应层与扩散层，有利于提高锌层与镁合金的黏结强度。含Cu中间层的锌涂层对镁合金进行表面改性，可显著提高镁合金的抗氧化性能和耐腐蚀性能。

此外，传统热镀锌铁塔呈单一明亮的银白色，具有较强反射性，在一些地区（如西藏自治区）可能会造成自然地貌的破坏，可对锌层进行着色来解决这一问题。在传统的热镀锌工艺基础上，彩色热镀锌技术改变镀液合金成分，即在锌液中添加少量呈色元素，从而获得彩色的镀层。胡成路[6]通过对彩色热镀锌工艺进行系统研究，制备出与西藏自治区地貌色彩相协调的彩色镀层。Mn是彩色镀液的较佳呈色元素，Zn-Mn合金镀液色彩饱和度高，种类较多，镀液加入Mn也能大幅提高镀层耐蚀性。

2 冷镀锌

冷镀锌涂料是通过涂装的方式将锌粉涂覆在基材表面的一种简单高效的新型材料保护技术，其防腐性能优异，维修施工方便，已逐步应用于电力、通信设施、石油化工设备、机场和桥梁等重点工程领域。冷镀锌产品涂层干膜的Zn含量超过95%，主要靠阴极保护和树脂屏蔽作用进行防腐。与热镀锌相比，冷镀锌涂装便捷，成本较低，环境相对友好。缺点是冷镀锌不能在化学水平上与金属结合，使其性能下降。

刘灿楼等[7]在钢板上制备一种冷镀锌层，附着力评级为0级。此冷镀锌层耐蚀性约为同等厚度热镀锌层耐蚀性的3/4。王立等[8]研究自制的纳米稀土冷镀锌涂料的涂层外观、涂层厚度以及机械性能，其与市售环氧富锌涂料相似，但耐腐蚀性能优于环氧富锌涂料。该涂料与丙烯酸磁漆和丙烯酸聚氨酯面漆均可良好配套。XU等[9]采用磷酸对冷镀锌涂层的锌颗粒进行表面改性，锌改性前后SEM图谱如图1所示，球形锌颗粒周围形成磷酸盐层。不同Zn含量冷镀锌涂层的电化学阻抗仪（Electrochemical Impedance Spectroscop，EIS）图谱如图2所示，锌颗粒和磷酸反应生成层状Zn3（PO4）2·4H2O，其低电化学活性的联合作用有助于提高冷镀锌涂层的耐蚀性，降低涂层的吸水率，磷化物使钢基板钝化，以增加涂层与基板的附着力。

3 热镀锌+有机涂层

对于热镀锌方法，除通过合金化改善防腐能力外，还可与有机树脂组成复合涂层来提高防腐能力。刘峰等[10]分别采用热镀锌+冷镀锌复合涂层、热镀锌涂层、热镀锌+带锈环氧涂层，对铁塔角钢材料进行防腐性能测试，采用中性盐雾方法对试样进行耐蚀性测试，结果如图3、图4和图5所示。热镀锌涂层、热镀锌+冷镀锌复合涂层在盐雾测试150 h后，涂层表面出现大面积腐蚀；热镀锌+带锈环氧涂层在盐雾测试2 000 h后，表面未发生明显腐蚀。这表明热镀锌+带锈环氧涂层的耐蚀性能明显优于热镀锌+冷镀锌涂层和热镀锌涂层。马承志等[11]针对沿海地区铁塔防腐问题，研究金属涂层+有机封闭涂层体系、带锈涂料、外加电流阴极保护法和纯热镀锌工艺对铁塔防腐的作用，并进行盐雾加速测试。结果表明，带锈涂料和金属涂层+有机封闭涂层相对于常规的热镀锌涂层均能有效减缓铁塔用钢铁材料的腐蚀速度。高新华等[12]将环氧树脂与增韧树脂混合后制备一种高适应性防腐涂料，并在带锈热镀锌、锈蚀钢材、热镀锌和带旧涂层等结构件上进行应用测试。结果表明，这种适应性强的防腐涂料与热镀锌、带锈热镀锌、锈蚀钢材、带旧涂层等底材均具有良好的相容性，附着力较佳，与丙烯酸聚氨酯面漆结合后，涂层耐大气环境腐蚀、耐酸碱盐的性能优异，可满足铁塔设施的防腐要求。

4 冷镀锌+有机涂层

对于冷镀锌方法，除通过添加纳米材料等改性手段改善防腐性能外，还可通过与有机涂层组合成复合涂层来提高防腐性能。FAHEEM等[13]采用真空离心机将粒径为1～5 μm的Zn颗粒分散在富锌环氧酯中，制备用于钢材冷镀锌的富锌环氧酯涂料。结果表明，富锌环氧酯涂料具有良好的耐磨性和耐蚀性，比市售丙烯酸基冷镀锌涂料具有更强的保护作用和更长的使用寿命。宋小莉等[14]通过试验研究不同树脂体系对冷镀锌涂料镀膜各项性能的影响。结果表明，不同体系的有机涂层均可用于制备冷镀锌涂料，但产品性能存在一定差异。

5 结论

近年来，铁塔镀锌防腐技术发展迅速，但依然存在亟待改进之处。目前主要通过改性、填充和复合等方法对涂层材料进行处理，从而提高涂层耐蚀性、耐候性、耐盐雾性、附着能力和机械性能。对于无机涂层，热镀锌材料改性手段较为单一，多为合金化改性，对防腐综合性能的提高作用有限。目前，有机涂层的环境适应性研究多集中在单因素加速老化试验，多种环境因素的协同作用研究比较薄弱[15]，有机物的环保性能缺乏考虑。未来，可通过硅烷膜的结构改性和稀土转化膜的成分优化等方式[16]，对现有涂层体系进行改性，解决热镀锌材料改性手段单一、防腐性能改善有限的问题；对于有机涂层材料的环境适应性研究，应该根据实际环境特征，开展涂层的多种环境因素综合模拟加速试验，研究其在不同环境中的老化失效过程和机理；有机分子结构改性时，要注意其环保性能变化，防止产生有毒物质。

参考文献

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