小颗粒，大变化-改善DTM防腐涂料的成本效益
作者： Andy Noble-Judge，产品性能和应用经理；Chris Barbé，首席技术官，Ceramisphere Pty有限责任公司，澳大利亚，Gladesville
直接涂覆金属（DTM）涂料，顾名思义，是指在不使用底漆的情况下应用于金属基材的涂料。树脂通常是丙烯酸或聚氨酯类的，这取决于它是水基、水性还是溶剂性的涂料。DTM应用的表面几乎不需要进行预处理，它们通常用于非专业市场，只需要实现基本的防腐保护和/或对表面美观要求不那么高（对高光泽面漆或装饰涂层没有特殊要求）的地方。
在涂料中，使用传统的防锈颜料会降低涂层光泽或使其变成哑光，要达到防腐性能的同时，又具有光泽饰面，一般需要双涂层体系（即底漆和面漆）。底漆通过使用防腐蚀颜料来提供保护，面漆则提供人们所需的美观效果（高光泽）。在DTM涂料中，配方设计要平衡光学性能和防腐性能。标准缓蚀剂通常是颜料等材料，但其不规则的形状和较大粒径对光泽涂层的光学性能有显著影响。因此，通常要在涂层的这两个性能之间取得折衷效果，因为很难在单一涂层中既获得高光泽，又使其具有较好的腐蚀保护。因此，这常常会限制DTM涂料的应用，要么在要求较低的环境（如室内）中保护资产，要么用于对光泽要求不高的应用中。配方设计人员创新所要面临的挑战是，如何生产出一种单涂层DTM体系，使其既具有持久的防腐效果，又具有类似于面漆的装饰美学性能。
为了解决这一问题，需要一种对涂层的光学性能（光泽）不产生影响且易于混合进涂料的缓蚀产品。这种缓蚀剂需要和目前用于单涂层或双涂层涂料体系的传统防锈颜料一样高效，甚至具有更好的防腐性能，涂层的光学性能也不得因缓蚀剂的添加而降低。由于Inhibispheres?缓蚀剂产品的粒径、形状、折射率和独特的持续释放特性，这些通常在DTM中难以达到的要求可以通过使用该产品来实现。
Inhibispheres是一系列用于油漆和涂料的防锈颜料。这些材料是一种多孔的二氧化硅，有机或有机金属缓蚀剂均匀分散在固体的有机二氧化硅基质中。共有六种不同的产品，用于钢和铝的防腐保护，为油漆配方师提供了广泛的防腐选择。有机缓蚀剂在防止金属表面腐蚀方面非常有效，但由于其与涂料树脂不相容，限制了它在涂料中的应用。Inhibispheres通过二氧化硅基质的多孔封装，使有机和有机金属缓蚀剂得以在涂料配方中使用。它们具有机械抗性，可在磨浆阶段使用，而不会过早地释放颗粒内的缓蚀剂。该产品主要由二氧化硅制成，因而方便地取代涂料中的其他填料，对颜料体积浓度的影响降至最低。
Inhibispheres是使用精心挑选的前体和高效的有机或有机金属缓蚀剂，再通过乳液聚合工艺制成的。合成条件的精细控制，使粒径和其分布都可以定制调整，这就产生了一种完全均匀且单一分散的球形产品（图1，第45页）。其实际优点在于，由于D 50 =~0.5μm的小粒径，因此粒子具有较低的折射率。
结论
Inhibispheres基本上是由多孔二氧化硅制成，具有类似海绵状的形态，其中的孔隙中填充了所选的缓蚀剂。缓蚀剂是专为特定基材（铝和/或钢）选择的，因而能与传统的防锈颜料协同工作。
为了证明该系列产品在DTM涂料中的应用，我们研究了一系列市售涂料中对Inhibispheres的性能（表1）。将不含缓蚀剂的高光泽聚氨酯面漆（1）与来自同一产品系列和制造商的DTM（2）产品进行了比较。两者的树脂化学性质相同，但DTM涂料含有一种常用的传统防锈颜料缓蚀剂。传统防锈颜料缓蚀剂的加入使市售DTM涂料具有C1-C3的防腐蚀等级，但同时也牺牲了涂层的光泽度（图2）。作为对比，使用了Inhibispheres的面漆（3）表明，将这种缓蚀剂添加到涂料中，可以显著提高防腐蚀的能力，同时也可以保持涂层的高光泽表面。接着，我们对含Inhibispheres的聚氨酯光泽面漆（3）与使用传统防锈颜料底漆和相同聚氨酯光泽面漆（4）的双涂层体系进行了比较。
我们在60度（正常光泽）和20度（高光泽）下测量涂层的光泽度（图2）。结果表明，添加2%的Inhibispheres对涂层的光泽度几乎没有影响。即使在高达10%的添加量下，Inhibispheres材料对涂层的光泽影响也很小。我们将涂层涂覆在冷轧低碳钢板（EN10130）上，然后将样板在中性腐蚀条件下进行250小时的加速实验。对腐蚀的面板进行扫描，去除划线周围的涂层，以观察腐蚀情况。
根据ASTM B117 5 标准，我们测试了不同涂料和缓蚀剂体系的腐蚀性能。面板在腐蚀环境中暴露250小时（表2），所有的样板上都发现了锈斑。如果通过观察，对比涂层上的锈斑，我们发现所有涂料体系之间的差别似乎都很小。然而，当我们将划线周围去除的涂层进行比较时，结果却完全不一样了，也更具有说明性，很明显地，样品3（Inhibispheres）在防腐方面的表现要更好。性能最差的体系显然是样品1，其在腐蚀环境引起的涂层起泡下，从划线处产生的蠕变是最大的。样品2明显优于样品1，甚至优于样品4（双涂层体系），但它具有起泡现象，而样品4则没有。然而，样品3（Inhibispheres）显然没有起泡，而且划线处的蠕变是最小的。
除目测评估外，在图3（第50页）中记录并绘制了每个样品从划线处的腐蚀蠕变情况，我们取了在划X线的四个部分中，每个部分的最宽处的点，对四个地方的测量取其平均值，这些测量清楚地说明了表2的图像。防缓蚀效果最好的体系是含有Inhibispheres的面漆，其腐蚀蠕变的长度最短。样品3的平均蠕变值比样品4低7倍，比样品2低3.5倍。（两种比较体系均为市售涂料体系。）
总结
表3总结了不同涂料体系的测试结果。通过Inhibispheres的使用，我们可以很容易地获得具有更好光泽度和防腐性能的DTM涂料。（面漆）配方成本虽有少量增加，但可以生产出具有更大耐腐蚀能力的产品，完全可以达到C1级防腐蚀涂层标准，并可以达到C3或更高的级别。
很明显，样品1最多属于C1级涂层。通过Inhibi-spheres的添加，涂层可以比C3腐蚀环境等级（样品2和4）的涂层显示出更好的防腐蚀性能，同时能保持高光泽表面。样品涂层体系3（表2）每升的成本虽然增加了14%，然而，市售DTM涂料的成本要比面漆配方高38%。因此，成本增加14%，而不是38%（节省了24%），并可以得到比市售DTM涂料性能更好的产品，生产商完全可以将之转化为更高的销售价格。对于终端用户来说，使用高性能DTM涂料的好处仍然很大。与双涂层体系相比，单涂层体系有效节省了耗费在劳动力上的时间和金钱。总之，在DTM配方中使用Inhibispheres产品，对涂料制造商和终端用户来说都颇具吸引力。
参考资料
1 Boggs,L.Paint and Coatings Industry Maga-zine,Oct 2016,pg.28-30.
2 Noble-Judge,A.;Barbé,C.Paint and Coat-ings Industry Magazine,Oct 2016,pg.22-26
3 Noble-Judge,A.;Barbé,C.Paint and Coat-ings Industry Magazine,Feb 2019,pg 26-31
4 BS EN ISO 12944 - Paints and varnishes corrosion protection of steel structures by protective paint systems.
5 ASTM B117 - Standard Practice for Operat-ing Salt Spray (Fog) Apparatus.
6 ASTM D714 - Standard Test Method for Evaluating Degree of Blistering of Paints.
7 ASTM D1654 - Standard Test Method for Evaluation of Painted or Coated Specimens Sub-jected to Corrosive Environments
本文收录在《PCI中文版》杂志2020年06月刊中
