锌粉在防腐中的应用

严海锦

江苏科创金属新材料有限公司江苏科成有色金属新材料有限公司泰州华民锌品有限公司（江苏泰州　225300）

综述

锌粉在防腐中的应用

严海锦

江苏科创金属新材料有限公司江苏科成有色金属新材料有限公司泰州华民锌品有限公司（江苏泰州225300）

主要总结了球形锌粉和片状锌粉在防腐涂料和镀锌中的应用，介绍了防腐涂料和镀锌的组成和施工工艺，探讨了锌粉的防腐机理、影响防腐性能的因素等。

锌粉防腐应用

0　引言

钢铁长期暴露在风雨、潮湿或被污染的环境中，很容易遭受腐蚀破坏，因金属的腐蚀而造成的直接损失相当于世界钢铁年产量的30%，因腐蚀破坏引发的停工、停产、灾难性事故所带来的间接经济损失更是难以估量。锌是一种极易被氧化的金属，在空气中被氧化后其表面形成一层致密的氧化膜，能够补充被保护金属丢失的电子，优先于被保护金属而起化学反应，从而保护金属内部不被继续氧化。我国每年消耗的500多万吨金属锌中有70%用于钢材的防腐领域，研制并使用新型耐腐蚀材料，采用涂（镀）层防腐蚀技术、缓蚀剂防腐蚀技术、阴极保护技术、阳极保护技术，完善制件结构设计以减少锌资源的消耗等具有重要意义。

耐腐蚀保护是钢材生产和应用中的重要课题之一，处于腐蚀性环境中的钢材如果缺乏良好的防腐蚀保护，其使用寿命会大大缩短。目前，用以延长钢铁基体使用寿命的方法除了添加磷、铜、镍、铬、钛等金属材料进行阴极性镀层外，也可以纯金属锌粉、铁粉和合金粉为原料构建复合阳极性镀层，保护基体金属免遭腐蚀。对于阴极性镀层而言，镀层的完整性及其在腐蚀性介质中的稳定性是决定其耐蚀性高低的关键因素，如果阴极性镀层本身存在缺陷（如孔隙、裂纹、磨损等），其保护作用就会显著降低，甚至还会加速基体金属的腐蚀。与阴极性镀层不同，即使阳极性镀层本身存在表面缺陷（如孔隙、裂纹等），如果缺陷的尺寸不大，阳极性镀层仍具有保护基体金属使其免遭腐蚀的能力。故对于钢铁材料而言，最常用的是阳极性镀层，主要包括锌镀层和镉镀层。与其他金属相比，锌具有独特的特点，其密度比铁小、具有良好的耐高温性和延展性、可与铁制成合金。不论是球形锌粉还是鳞片状锌粉（锌片），在应用于涂料、油漆和其他防腐、环保等高性能颜料，锌铝合金涂层和镀锌领域时，都能以其特有的方式保护基体金属免遭腐蚀。

1　锌粉在防腐中的应用

1.1锌粉在防腐涂料（或油漆）中的应用

1.1.1球形锌粉在防腐涂料中应用

1920年后，澳大利亚和美国等国家开始研发锌粉漆，根据基料可分为无机、有机和有机/无机掺合3种类型。在搅拌状态下，将大量粒径为19～38 μm的锌粉溶于一定比例的溶剂、助剂和成膜物质混合物内，形成以硅酸盐为黏结剂的无机富锌底漆或以环氧树脂为黏结剂的有机富锌底漆，再将底漆涂刷至待防腐工件上，借助成膜物质使底漆成膜固化于工件表面。底漆一方面通过阻止腐蚀介质浸入钢材而达到防腐效果，另一方面利用富锌漆实现阴极保护作用。基于牺牲阳极锌、保护阴极钢的原理，锌含量（质量分数，下同）的高低直接影响有机或无机富锌底漆的防腐性能。随着锌粉含量的逐渐增大，涂膜的耐盐雾单边腐蚀宽度越来越小，但其柔韧性、附着力逐渐降低。在一般涂层中，聚合物树脂基料的数量足以包覆涂层中的锌粉，此时涂层是连续致密的膜；而当涂层中的锌粉量增加到一定值而使树脂基料不足以包覆这些颜填料颗粒时，涂层的各项性质均会发生突变。但是，锌粉含量过高会导致涂层与底材之间的附着力减小，一旦腐蚀介质渗透到锌粉表面，就会引起锌腐蚀，锌粉体积也随之增大，涂层起泡的可能性变大，其防腐性能就会降低。对于锌粉含量为87%的富锌涂料，其耐腐蚀性、附着力、柔韧性等指标均较好。在目前常见的单组分无机硅酸锌、双组分无机硅酸锌、氯化橡胶锌粉漆和环氧聚酰胺锌粉漆中，球形锌粉质量分数均在50%以上。防腐涂料中锌的腐蚀沉积物对受保护金属具有屏蔽保护作用，生成腐蚀沉积物的反应如下[1]：

Zn＋2H2O→Zn(OH)2↓＋H2↑

Zn(OH)2→ZnO＋H2O

5ZnO＋2CO2＋3H2O→2ZnCO3·3Zn(OH)2

粒径为19～38 μm、金属锌含量不低于94%的球状锌粉是最重要的电化学防锈颜料之一，其技术指标如果具备球晶表面氧化少，光滑、整洁、均匀，活性高，耐蚀性好，分散性好，松装密度小，其他有害杂质元素（特别是铅、铁）含量低等条件，则该锌粉除可作为医药化工催化还原剂之外，70%的用途是作为富锌防腐涂料的关键原料。该锌粉所配制涂料具有漆膜膜层薄、表面光洁致密，用量少，耐候性和耐蚀性极强等特点，被广泛应用于不适宜热镀和电镀的大型钢铁构件（如大型户外钢结构建筑、海洋工程、桥梁、管道等），船舶以及集装箱等的涂覆。

1.1.2锌片在防腐涂料或油漆中的应用

随着地球生态环境问题日益严峻，发达国家已经停止或限制使用大部分高溶剂含量的传统防腐涂料，转而发展低铅、节能环保型防腐材料。美国水性涂料产量占国内涂料产量的52%，德国为46%，日本为17%，而作为涂料生产大国的中国仅为8%。因此，生产和使用节能环保型防腐材料已势在必行。我国防腐涂料也正朝着无毒（或低毒）、无污染、节能、经济、高效的方向发展。对传统的球形锌粉颜料进行改性，采用锌片（含量不低于60%）作为防锈颜料，与30%～35%水性环氧树脂、固化剂等配制成富锌底漆；虽然锌片用量仅为球形锌粉用量的1/3，但锌片涂层的防腐性能是常规球形锌粉的3～4倍，而且该底漆与基体结合率高、表面光滑，成膜的总质量是常规富锌漆的50%，符合节能环保防腐的要求。改性水性防腐涂料对其中所用锌片的主要技术要求是：金属锌含量不低于94%，延展平面为10～15 μm，片厚度为0.1～0.3 μm，其他微量元素含量指标需满足GB/T 6890—2012《锌粉》中一级品的要求；其使用量需要根据施工要求、防腐材料应用环境和防腐目标等具体情况确定。如果锌片含量过高，锌片间孔道增多，腐蚀介质更容易深入涂层内部与锌片粒子发生作用。实验和应用证明，底漆中聚氯乙烯含量较低时，涂层表现出较好的耐磨性和抗冲击性，这种涂层适用于重防腐行业。《片状锌粉》（2009年）和《鳞片型富锌底漆》（2011年）国家标准的制订和出台，也促进了锌片在防腐涂料中的应用及其在防腐工业中需求量的增加。

1.2锌粉在镀锌中的应用

1.2.1球形锌粉在镀锌中的应用

工业上之所以大量地使用镀锌层，是因为它具有两层保护涂层：作为防护涂层，它提供了一层坚韧的冶金锌涂层，完整地覆盖钢材，并保护其不受外界环境的腐蚀；即使镀锌层出现了破坏和裂缝，锌层还是能起到保护钢材的作用。锌粉在机械镀锌、涂膜镀锌中得到大量的推广和应用。

钢铁材料的机械镀锌是20世纪80年代末在美国发展起来并进入工业应用的表面处理工艺，在高强度紧固件和一些小五金制品、射钉和高强度环链中应用比较普遍，可用于替代热镀和电镀，并且可被广泛用于国家电网改造、高速公路和桥梁建设等工程中。机械镀锌是一种在常温常压下利用化学吸附沉积、机械碰撞和搓碾作用，使金属粉在工件表面形成锌镀层的工艺。其工艺流程是：清洗工件→加料→建立基层（锌粉、亚锡盐溶液、A液）→镀层增厚（锌粉、B液）→水抛光→后处理[2]。机械镀锌采用的原料无毒性，可实现镀锌过程中无工业污染；镀层厚度可控制在5～100 μm之间，耐中性盐雾试验可达300 h以上，镀后无氢脆和退火软化现象，能满足高强度零件的使用要求。锌粉特性对机械镀锌锌层性能的影响很大[3]，球形锌粉的粒径大小（粒径小于45 μm）、表面形状、金属锌含量和微量元素含量等直接影响镀层的致密性、镀层的外观以及镀层与基体的结合强度[4]。机械镀锌锌层可依零件的防腐蚀要求选择适合的锌层厚度，美国ASTM标准中机械镀锌的锌层厚度范围为5～135 μm，中国机械部标准中为5～110 μm（11个等级）。

涂膜镀锌（亦可称为冷喷锌）是一种新型、长效、环保、便捷的钢结构防腐技术，尤其在钢结构维修方面表现出突出的优势，从而拓展了“锌保护”应用的新领域。涂膜镀锌的原料由高纯度的锌粉、包覆树脂及有机导电树脂等组成，是以涂装的方式将锌粉镀覆在基体材料表面上的一种材料保护技术，镀层干膜含锌量高达96%以上，可实现阴极和屏障式双重保护。

（1）阴极保护

涂膜镀锌锌层中金属锌含量达96%以上，同热浸镀锌、电弧喷锌等锌层一样，该锌层为钢铁提供阴极保护功能。阴极保护主要是通过锌粉的电化学保护作用来实现，因锌比铁活泼，容易失去电子，在前期锌粉的腐蚀过程中，锌粉和钢铁基材组成原电池。锌的电极电位（-0.76 V）比铁的电极电位（-0.44 V）低，因此锌为牺牲阳极、铁为阴极，腐蚀电流由锌流向铁，钢铁便得到了阴极保护，直至镀层中的锌被完全耗蚀掉。

原电池中发生的反应为：

阳级：Zn→Zn2++2e-

阴级：Fe→Fe2++2e-（2）屏障式保护

涂膜镀锌中的有机树脂在锌粉颗粒周围形成了致密的保护屏障层（镀层无空隙），可有效地抵御外界水、氧和离子的渗入侵蚀。随后，涂膜镀锌表面的锌粉颗粒也可与空气中的二氧化碳、水结合生成ZnO、Zn(OH)2和碱式碳酸锌，这些产物填满了镀层的空隙，形成了一层“自修复”锌盐屏障，因而具有更优异的防腐能力。受结构及锌含量的局限，富锌漆通常难以形成所需的阴极保护；而热（电弧）喷锌（铝）只提供阴极防护，当镀层受损后难以修复。

生成Zn(OH)2的反应为：

4e-+O2+H2O→4OH

Zn2++2OH-→Zn(OH)2↓

可见，涂膜镀锌具备镀锌及普通涂料的双重优点，能提供阴极保护及屏障保护双重功能，防腐性能优异；可以常温便捷施工，将镀锌变得如使用油漆一样简单，在突破传统涂料限制的同时，可以达到极佳的长效防腐效果，是替代热浸锌、热喷锌的最佳防腐技术。

1.2.2锌片在镀锌中的应用

锌片在镀锌中的应用主要体现在达克罗和刁美特等锌铬涂层行业。达克罗工艺处理是近年来国内开始应用的防腐涂层工艺，涂层厚度一般为5～10 μm，防锈机理是锌对基体的受控的电化学壁垒保护作用，铬酸的钝化作用，锌片、铝片和复合铬盐涂层的机械屏蔽遮盖保护作用，以及铝抑制锌的“淘析”作用。与传统的电镀锌相比，锌铬涂层的耐腐蚀性能极强，是电镀锌的7～10倍；无氢脆性，特别适用于高强度受力件；具有高耐热性（耐热温度300℃）。锌铬涂层技术的操作流程为：有机溶剂除油→机械抛光→喷涂→甩干→烘干（60～80℃，10～30 min）→二次喷涂→烧结（280～300℃，15～30 min）→干燥[5]；基体材料为钢铁制品及有色金属（如铝、镁及其合金，铜、镍、锌等及其合金）。另外，该技术在涂覆过程中无污染，这在金属表面处理历史上是一场变革，是当今世界上在金属表面处理领域富有代表性的高新技术；尤其适用于汽车和摩托车底盘、发动机部件，弹性和管类、腔类的高强度构件；涂层具有高渗透性、高附着性、高减磨性、高耐气候性、高耐化学品稳定性、无污染性等特点。达克罗涂液涂层外观为均匀的银灰色，涂层由锌片（质量分数为15%～30%）、铝片（质量分数为5～10%）、乙二醇等惰性有机溶剂、铬酸等无机酸和增黏特殊有机物组成。涂覆液按上述工艺经300℃左右保温烘烤生成无定形的复合铬盐化合物，覆盖在母材的表面及锌片、铝片的表面，将锌片、铝片与钢铁基材表面紧密地黏结在一起，锌片、铝片之间亦被复合铬盐所填充，冷却后的金属表面即被覆盖上了一层很薄的银灰色达克罗特种防腐涂层。

达克罗涂层的不足是导电性能不理想、表面硬度和抗划伤能力比其他传统处理方法略差、不宜用于导电连接的零件（如电器的接地螺栓等）。机械镀锌的优点是：工艺操作简单、能耗低、表面光亮度好、工业加工成本低于达克罗处理。应用于户外的长期防腐蚀的紧固件镀层，均是牺牲阳极性质的锌镀层，因此镀层要含有足够多的锌，才能确保户外应用的紧固件具有数十年的防腐能力。

2　结语

金属与周围环境中各种介质接触时，发生化学或电化学反应，从而使金属材料受到损耗、性能受到破坏的现象，称为腐蚀[6]。

在长期的实践中，无论采用哪一类现代防腐蚀技术，从本质上讲，其防止或减缓金属腐蚀的原理均在于破坏形成腐蚀必须满足的条件或减缓电化学腐蚀过程进行的速率。锌粉的特性使其成为重要的防腐材料并得到广泛应用。

中国拥有比较丰富的铅锌矿等资源，近年来，锌粉的制备和防腐技术的开发与应用，以及有机硅、氟碳、稀土和石墨烯等材料配制的重防腐涂料研制和粉末材料制造业的发展，在减少不可再生资源消耗的同时，也可为耐腐蚀保护提供了新的防腐技术和材料。

[1]顾根福.锌粉漆综述[J].上海涂料,2005,43(7/8)：39-43.

[2]陈菡.镀锌防腐工艺[J].钢铁,2007,42(7)：38-42.

[3]李铁龙,杨新岐,姜海龙,等.锌粉特性对机械镀锌层性能的影响[J].材料保护,2005,38(11)：14-16.

[4]王胜民,何明奕,赵晓军,等.机械镀锌用锌粉的选择[J].电镀与涂饰,2007,26(6)：48-50,54.

[5]丁金城,赵增典,于先进,等.达克罗涂覆过程中常见的问题及其处理方法[J].材料保护,2004,37(3)：55,59.

[6]方震,李清湘.锌粉、锌片与重防腐[J].上海涂料,2009, 47(8)：39-42.

Application of Zinc Powders in Anti-corrosion Field

Yan Haijin

The applications of spherical zinc powders and zinc flakes in anti-corrosion coatings and galvanization are summarized.Besides,the compositions and operation technologies of anti-corrosion coatings and galvanization are introduced.Furthermore,the corrosion-resistant mechanism of zinc powders and factors influencing the anti-corrosion performance are discussed.

Zinc powder；Anti-corrosion；Application

TG179

严海锦男1978年生本科高级经济师高级工程师主要从事金属冶炼、金属新材料粉体制备及其技术研究工作

2015年11月