集装箱富锌底漆有关问题的探讨
金 菁1 ， 杨书林1 ，刘会成2
（1．中国海运集装箱集团，天津300457； 2.中远关西涂料化工有限公司，天津300457）

1 前 言
由于集装箱运营的全球性，集装箱需要反复经历从陆地到海洋、从酷暑到严寒的全过程，其使用环境极为恶劣，要适应(-40～70)℃的环境温度。因此，钢制集装箱要求具有很好的防腐性能，其对集装箱的使用寿命有直接的影响。钢制集装箱的防腐性能主要是由集装箱油漆配套体系来保证的。目前集装箱外侧常使用的是3层油漆配套体系，内面和箱底常使用的是2层油漆配套体系。所有的油漆配套体系中的底漆都为环氧富锌漆，可见环氧富锌漆在集装箱油漆配套体系中对其防腐性能起着非常重要的作用。环氧富锌漆主要由两部分组成：一为基料，主要成分可为锌粉、环氧树脂、助剂和有机溶剂等;二为固化剂，可为聚酰胺树脂和有机溶剂等。其中锌粉所占的比例很大，一般为干膜重量的65%～85%。本文主要对富锌底漆防腐机理、富锌底漆中锌含量和富锌底漆漆膜厚度对防腐性能的影响等方面进行论述和探讨。

2 富锌底漆的防腐机理
集装箱环氧富锌底漆防腐机理是利用电化学的阴极保护作用。富锌底漆中的锌粉含量高，在其干膜中，锌粉颗粒之间、锌粉颗粒与集装箱钢制基材之间是相互接触的。涂膜受到侵蚀时，锌粉作为阳极首先受到腐蚀，底材钢铁作为阴极受到保护；同时锌作为牺牲阳极形成的氧化产物可以对涂层起到封闭作用，加强涂层对底材的保护。富锌涂料中的锌粉在保护过程中逐渐被消耗，但速度很慢。其腐蚀产物的形成，使涂层与底材的电位差减小，当涂膜被损伤时，又露出新的金属锌，电位差立即增大，产生较强的阴极保护作用，所以富锌涂料的锈蚀不会从损伤处向周围扩散。锌粉在自然环境中的腐蚀化学反应过程如下:
Zn +2H2O → Zn(OH)2+H2 ↑
Zn(OH)2 → ZnO+H2O
5Zn(OH)2+2CO2 → 2ZnCO3·3Zn(OH)2+2H2O
5Zn(OH)2+2CO2+3H2O → 2ZnCO3·3Zn(OH)2
由上述的富锌涂料的防腐机理可以看出，在锌粉发挥防腐作用的过程中会有碱性的物质产生，所以做为富锌涂料的成膜物质必须有良好的抗皂化能力，否则会由于锌粉漆的牺牲阳极反应，使成膜物质发生化学反应而脱落。一般选用环氧树脂做为成膜物质。
PVC 是干膜中的颜料体积百分比,当PVC 增加时许多涂膜的性能会发生突然变化，此时的PVC 是CPVC（临界颜料体积百分比），即刚好有足够的成膜物质提供颜料表面一个完整的吸附层并填满紧密堆积体系中颗粒间隙的PVC。当PVC 低于CPVC 时，颜料颗粒没有紧密堆积，并且成膜物质占据了过量的体积；当PVC 高于CPVC 时，颜料颗粒紧密堆积，成膜物质不足以填满颜料间的空隙。由富锌涂料的防腐机理可以看出，当涂膜中的锌粉离子紧密接触时，涂膜具有极好的导电性，当涂膜受到破坏时可以保证良好的牺牲阳极保护的电流回路，充分地发挥富锌涂料的电化学保护作用。因此为了充分体现出富锌涂料的保护作用，富锌涂料的PVC 必须大于CPVC。锌粉粒子在干膜中的排列如图1 所示。


3 富锌底漆锌含量对防腐性能的影响
富锌底漆的防腐原理是基于牺牲阳极锌，保护阴极钢，因此，富锌底漆中锌的含量高低对防腐性能有直接的影响。在相关的标准中对富锌底漆的锌含量都有明确的规定。如在SSPC PAINT20 标准中将富锌涂料的干膜中锌粉含量分为三个等级：个等级干膜中的锌粉含量≥85%;第二个等级干膜中的锌粉含量在77%～85%;第三个等级干膜中锌粉含量在65%～77%。而ISO12944则规定，富锌底漆中小锌粉含量为80%。之所以规定比较高的锌粉含量，是因为暴露在腐蚀环境中的钢，如果富锌底漆中锌的含量低，那么颗粒锌粉就不能形成完整的锌粉层，因为固化了的环氧树脂的导电性差，大大妨碍了锌粉的化学保护作用，影响了富锌底漆对钢的阴极保护作用。因此，具有一定高的锌含量是保证富锌底漆防腐性能的一项很重要技术指标。
但锌粉的含量过高，富锌底漆的防腐蚀性能也未必就好。锌粉含量过高，自然富锌底漆中的树脂含量会降低，成膜物减少，漆膜与钢材的附着力因之而减小。因此，一旦水等渗透到锌粉表面，引起锌腐蚀，体积增大，从而使涂层起泡的可能性变大。集装箱涂料有耐盐水性能和耐盐雾性能两个防腐指标。有试验表明，富锌底漆中的锌含量低，由于锌粉颗粒之间不能形成完整的锌粉层，锌的阴极保护作用不明显，盐雾试验不久就出现了红锈，但其耐盐水性能较好。随富锌底漆中锌含量的增高，其阴极保护作用增高。但如锌含量过高，由于树脂的减少，基材与涂层的附着力相对减少，一旦盐水溶液渗透，引起锌的腐蚀，后导致漆层起泡，因此其耐盐水性能降低。

4 富锌底漆漆膜厚度
由于富锌底漆是以牺牲阳极锌来达到保护阴极钢的目的，锌直接关系到富锌底漆的防腐蚀性能，因此，适当厚的富锌底漆厚度是必要的。但过厚的富锌底漆也未必就好，笔者曾就不同膜厚的相同锌粉含量的富锌底漆和环氧漆配套的防腐性能进行过试验，结果如下。
4．1 不同厚度富锌漆的耐盐水实验（2 500h)(见表1)
4．2 不同厚2度富锌漆的耐盐雾性能(1 500h)(见表2)

从试验结果可以看出，在配套的总膜厚相同的情况下，没有发现配套的耐盐水性能有明显的差别，但是当富锌漆膜厚过低或过高时，配套的耐盐雾性能会明显降低。
在腐蚀环境中，水与氧气等渗到漆膜内后，锌粉和钢就形成了腐蚀微电池，锌被腐蚀，其腐蚀产物的种类随腐蚀介质的不同而不同，如氧化锌、氢氧化锌、碱式碳酸锌、硫酸锌等腐蚀产物会沉积在锌粉颗粒的空隙中和钢的表面上。它一方面使涂层变得致密，增强了涂层的隔绝环境功能，使水和氧等很难渗透到钢的表面，起到了缓蚀作用;但另一方面它将隔绝了表面的锌粉层，使远离钢基材的锌粉不能有金属间的接触，从而很难发挥阴极保护的作用。可见富锌底漆的防腐性能未必能随其漆膜厚度的增加而成比例提高。同时，在集装箱的焊接生产加工中，大量的氧化锌废尘对施工工人健康和环境会造成危害。

5 结束语
富锌底漆对集装箱钢的保护是利用电化学阴级保护作用原理。特别是当集装箱由于摩擦或碰撞等因素损坏漆膜而出现局部、少量的锈蚀时，合适高的锌含量和漆膜厚度富锌底漆能有效地防止它们扩大或向纵深发展。但过高的锌含量，富锌底漆的防腐性能未必就好。另外，富锌底漆的防腐性能未必能随其漆膜厚度的增加而成比例地提高。