高模数硅酸钾水性无机富锌涂料的制备及性能研究

摘要

水性无机富锌涂料是以碱金属硅酸盐的水溶液为粘结剂，以金属锌粉为防锈颜料，添加其他助剂而组成的重防腐蚀涂料。它完全摆脱了传统的溶剂型防腐蚀涂料的束缚，它以水为稀释剂，VOC 排放为零，同时还具有施工方便，优异的防腐蚀性，优良的附着力，良好的耐候性、耐磨性、耐热性、耐溶剂性、耐辐射等特点。自水性无机富锌涂料诞生至今，经历了热固化、后固化和自固化三个阶段。 目前人们使用广泛的水性无机富锌涂料是20 世纪70 年代由美国太空总署的研究人员开发的高模数自固化硅酸钾水性无机富锌涂料，该水性无机富锌涂料以SiO2/K2O 摩尔比为5.3:1 的硅酸钾溶液为粘结剂。高模数水性无机富锌涂料在国外被广泛研究和使用，我国在以高模数的硅酸钾溶液为粘结剂的水性无机富锌涂料方面技术薄弱，尚处于实验室研究阶段，国内巨大的市场需求仍依靠进口来满足。 因此，加快高模数硅酸钾水性无机富锌涂料的开发研究，实现高模数硅酸钾水性无机富锌涂料的国产化具有重要的意义。本文从高模数硅酸钾水溶液的制备到涂料性能的测试对高模数硅酸钾水性无机富锌涂料进行了系统的研究。论文的主要研究结果如下： 1. 研究了反应温度，搅拌方式，溶液的滴加速度，硅烷偶联剂的种类和用量以及水溶性有机硅高分子化合物对制备高模数硅酸钾溶液的影响。结果表明反应温度控制在50～60oC 有利于制备高度分散且具有较高透明度的高模数硅酸钾溶液；透射电镜（TEM）显示，60oC 下制得的高模数硅酸钾溶液具有较小的颗粒尺寸；实验室制备高模数硅酸钾溶液时采用磁力搅拌并控制溶液在整个反应过程中处于涡流状态有利于制备较高透明度的高模数硅酸钾溶液；硅溶胶和硅烷偶联剂的滴加速度对最终硅酸钾溶液的稳定性有很大影响；甲基三甲氧基硅烷和γ-氨丙基三甲氧基硅烷对高模数硅酸钾溶液在碳钢和马口铁基材表面分散有明显的增强作用；水溶性有机硅高分子化合物能显著提高高模数硅酸钾溶液的稳定性，室温储存时间可达到120d；激光粒度分析显示，本文中制备的高模数硅酸钾溶液中颗粒粒径小于150nm。 2. 研究了自制高模数硅酸钾水性无机富锌涂料的基本性能。本文中自行研制的高模数硅酸钾水性无机富锌涂料的基本性能达到或超过了现有市售同类产品的相应性能；涂层的干燥时间跟硅酸钾溶液的模数以及固含量有关，模数较高其表干时间较短，对于同一模数的涂层，硅酸钾溶液的固含量越高表干时间越短；扫描电子显微镜（SEM）显示，硅酸钾溶液模数的提高加强了涂层中锌粉颗粒之间的粘结，使涂层的孔隙减小。当硅酸钾溶液模数过高时，成膜时涂层中裂缝反而增多，本研究中制备的硅酸钾溶液模数控制在5～7 较好；涂层具有很好的耐热性能，能长时间耐400oC，涂层不发生晶形转变。 3. 采用电化学阻抗谱（EIS）技术研究了高模数硅酸钾水性无机富锌涂料在3.5％NaCl溶液中的电化学行。使用SEM观察了涂层结构随腐蚀浸泡的变化。硅酸钾溶液模数的增加使涂层的导电性减小，涂层腐蚀电位增高。涂层中锌粉颗粒在腐蚀浸泡时的活化阻力随水基模数的增高而增大；硅酸钾溶液模数的提高使涂层对腐蚀介质的屏蔽性能提高，而涂层中锌粉的活化溶解阻力增大；Oxford能谱仪（EDS）和X-ray 衍射谱（ XRD ）分析表明涂层腐蚀浸泡后的腐蚀产物主要组成为Zn5(OH)8Cl2。