專欄作者｜徐凱斌

上海澳潤(rùn)化工有限公司

其它無機(jī)硅酸鹽涂料

無機(jī)硅酸鹽涂料技術(shù)除主要用于建筑內(nèi)外墻無機(jī)涂料外（滿足DIN18363標(biāo)準(zhǔn)要求,，高分子有機(jī)物含量小于5%）,，還可以應(yīng)用于許多其它涂料中。其中應(yīng)用較廣的是始于上世紀(jì)七十年代至今的水性硅酸鹽無機(jī)富鋅防腐底漆和剛在歐洲興起的不含殺菌劑（Biocide-free）的乳膠漆(乳液含量不限,，通過硅酸鹽來調(diào)節(jié)乳膠漆的pH到11以上來達(dá)到防腐目的,，而無需另外添加易致敏性防腐劑)。

水性硅酸鹽無機(jī)富鋅防腐底漆

水性硅酸鹽無機(jī)富鋅防腐底漆中含有大量鋅粉,，并且主要應(yīng)用于鋼鐵基材上,，因此同之前討論的硅酸鹽涂料應(yīng)用在含有大量鈣、鎂離子的無機(jī)底材上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不同,。

金屬鋅為可以同時(shí)與酸,、堿反應(yīng)的二價(jià)金屬，化學(xué)性質(zhì)活潑,，可與堿金屬硅酸鹽反應(yīng),，因此不能生產(chǎn)單組份涂料,，這也可以從鋅的溶解性質(zhì)中看出。

鋅的溶解性主要取決于它所處的水溶液的pH和溫度：當(dāng)水溶液為中性時(shí),，鋅是不溶的,；隨酸性增大，pH減小,，鋅可以與氫離子發(fā)生置換反應(yīng)生成氫氣,，鋅的溶解性增大；同時(shí)鋅也可以與堿反應(yīng),，當(dāng)pH大于11時(shí),，鋅的溶解性隨pH增大而增大。

當(dāng)水性硅酸鹽無機(jī)富鋅防腐底漆涂裝在鋼材底材上,，隨著水的揮發(fā),，硅酸鹽沉積在基材上并濃縮脫水聚合為分子量更大的預(yù)聚物，如下式所示：

預(yù)聚物通過與鋅粉顆粒表面的鋅離子反應(yīng),，生成生不溶性的多聚硅酸鋅的聚合物基質(zhì),，如下式所示。

隨后,，硅酸鹽可以同空氣中的二氧化碳產(chǎn)生的碳酸反應(yīng),，生成多聚硅酸進(jìn)一步同鋅粉表面的鋅離子反應(yīng)，如下式：

最終反應(yīng)完全可能需要幾個(gè)月的時(shí)間,，一般最初反應(yīng)發(fā)生在同大氣接觸的表層,，并逐漸向涂層的底層固化，最后深入到鋼材基體,，也同鋼鐵底材上的鐵離子(Fe^2+/3+)一起反應(yīng)絡(luò)合,，形成多聚硅酸鋅鐵的聚合物。在此期間,，涂層的交聯(lián)密度增加,，從而得到一個(gè)堅(jiān)硬、耐用,、致密的主要由硅酸鋅聚合物組成的三維無機(jī)結(jié)構(gòu),，如圖50所示。

圖50 水性硅酸鹽無機(jī)富鋅底漆完全固化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

鋅粉在涂料中兼具防銹和固化劑的雙重作用,，一是作為犧牲的陽(yáng)極,，對(duì)鋼鐵進(jìn)行陰極保護(hù)，起防銹作用,；另一個(gè)作用是可以作為硅酸鹽的固化劑,，促進(jìn)固化反應(yīng)的進(jìn)行。

水性無機(jī)富鋅中硅酸鹽的活性硅酸與噴砂鋼結(jié)構(gòu)表面的鐵可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，漆膜通過化學(xué)鍵附著在鋼結(jié)構(gòu)表面,，具有極佳的附著力,。即使磕碰后，漆膜也不會(huì)大面積翹皮或脫落,，而只是磕碰處出現(xiàn)凹坑和刮痕,，且由于鋅的陰極保護(hù)作用基材也不易生銹。

水性無機(jī)富鋅涂料中的基料主要是硅酸鉀和硅酸鋰,，其中應(yīng)用最多的還是硅酸鉀,。同無機(jī)硅酸鹽建筑涂料中類似，硅酸鈉雖然價(jià)格便宜,，但干燥速度慢，涂厚耐水性差,，很少采用,。硅酸鉀則因?yàn)楣毯撸稍镙^快,，成膜性好,，易獲得高模數(shù)產(chǎn)品，綜合性能好且價(jià)格適中而被廣泛使用,。硅酸鋰具有室溫固化速度快,、同鋅粉混合后使用期長(zhǎng)、耐水性好,、鹽析少等優(yōu)點(diǎn),，其自固化的漆膜類似如烘烤的硅酸鈉粘結(jié)劑，有極高的硬度,、耐久性和耐磨性,，在水性富鋅底漆中具有最好的防腐性能，但由于水溶性較低,，不易得到高濃度產(chǎn)品,，且價(jià)格昂貴?；诠杷徜嚨乃詿o機(jī)富鋅底漆參考配方見表23所示,。

表23中的水性硅酸鹽無機(jī)富鋅底漆參考配方一

水性富鋅底漆中硅酸鉀的模數(shù)高，干燥速度快,，早期耐性好,，固化后漆膜的抗化學(xué)品性、附著力和抗沖擊性更好,，遇水后更穩(wěn)定,，不易被破壞，涂層使用壽命更長(zhǎng)。但模數(shù)過高也會(huì)帶來穩(wěn)定性降低,、漆膜外觀變差,、液料對(duì)鋅粉的潤(rùn)濕性降低、噴涂霧化不佳,、對(duì)基材潤(rùn)濕性差而影響附著力和因內(nèi)應(yīng)力大而產(chǎn)生漆膜開裂脫落等問題,。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅酸鉀的模數(shù)在4.8~6.5之間時(shí),，水性富鋅的綜合性能最佳,。二十世紀(jì)七十年代初，美國(guó)國(guó)家航空太空總署（NASA）研究解決了高模數(shù)硅酸鉀的穩(wěn)定性問題,，開發(fā)出著名的商品化名為IC 531水性富鋅底漆,，即以模數(shù)為5.3的硅酸鉀水溶液作為基料的水性無機(jī)富鋅涂料。

由高模數(shù)硅酸鉀基料形成的防腐涂層的耐水性,、耐沖擊性和附著力均比以低模數(shù)硅酸鉀及其他硅酸鹽基料所形成的防腐涂層強(qiáng),。

商品普通硅酸鉀的最高模數(shù)一般為3.9，更高模數(shù)的硅酸鉀的粘度會(huì)急劇增加而難以使用并且穩(wěn)定性降低,。要得到更穩(wěn)定,、更高模數(shù)的硅酸鉀一般是向低模數(shù)的硅酸鉀中加入一定量的硅溶膠和有機(jī)硅烷來改性，也稱為高模數(shù)硅酸鉀的穩(wěn)定化,。

硅酸鉀固化成膜形成的網(wǎng)絡(luò)大分子為剛性鏈段,，所以水性無機(jī)富鋅涂料的漆膜硬而脆。為了提高水性無機(jī)富鋅涂料的柔韌性,，同時(shí)提高附著力,、耐水性和防腐性能，也常在硅酸鉀的液料中加入一定量的硅丙,、苯丙或純丙乳液來進(jìn)行改性,，參見表24中的水性硅酸鹽無機(jī)富鋅底漆參考配方二。

表24中的水性硅酸鹽無機(jī)富鋅底漆參考配方二

為了更好地發(fā)揮水性無機(jī)富鋅涂料的防腐性能,，就需要與其他防腐中層漆和面漆配套使用,。大量試驗(yàn)證明，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)基材的表面處理要求達(dá)到Sa2.5~3級(jí),，在C4環(huán)境下超過15年的使用壽命,，可以使用水性無機(jī)富鋅涂料配套溶劑型或水性環(huán)氧云鐵中層漆和聚氨酯、氟碳,、硅氧烷等高性能防腐面漆的涂裝體系,。

水性無機(jī)富鋅涂料通常為一液一固的雙組分涂料，主劑是高模數(shù)硅酸鉀或硅酸鋰溶液,，作為粘合劑 ,，固化劑為以鋅粉為主的粉體物質(zhì)。二者混合后形成的水性無機(jī)富鋅涂料具有以下特性 ：① 以水為溶劑和稀釋劑，零VOC,、無閃點(diǎn),、無公害、無污染,、無著火危險(xiǎn),符合環(huán)保的規(guī)定; ②干燥迅速,，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下,不到30min就可以表干，2h內(nèi)實(shí)干,，大大縮短施工間隔和周期,；③厚涂性，噴涂一道膜厚可達(dá)70μm 以上,；④耐揮發(fā)性油和有機(jī)溶劑性能優(yōu)良,；⑤硬度高，耐機(jī)械磨損性能優(yōu)良,；⑥不受切割,、焊接損傷，無可燃揮發(fā)物的危害,；⑦耐高溫，連續(xù)耐熱可達(dá)400℃以上,；⑧耐紫外線,、耐鹽霧，具有長(zhǎng)效的防銹,、防腐效果,。

水性硅酸鹽無機(jī)富鋅底漆同傳統(tǒng)的醇溶性無機(jī)富鋅底漆（基于正硅酸乙酯作基料）以及市場(chǎng)上最新出現(xiàn)的基于溶膠-凝膠（Sol-gel）技術(shù)（以硅溶膠和聚硅氧烷為主要粘結(jié)劑，涂膜中性無鹽）的水性無機(jī)富鋅底漆相比也有以下主要不足：一是基料中含有堿金屬氧化物,，固化完成后會(huì)生成堿金屬碳酸鹽停留在漆膜表面,，影響后續(xù)涂層的附著力；二是由于涂膜中大量鹽的存在,，在潮濕和浸沒環(huán)境下則由于滲透壓的作用極容易引起涂層起泡,；三是如果打砂除去富鋅底漆也可能污染磨料。

不含殺菌劑的乳膠漆

消費(fèi)者希望生活在更加健康的室內(nèi)環(huán)境中,，對(duì)不含空氣污染物和有害物質(zhì)的水性涂料的需求不斷增加,。世界內(nèi)墻乳膠漆市場(chǎng)上有兩大最新環(huán)保趨勢(shì)，一是生物基涂料,，二是不殺含菌劑的乳膠漆,，因?yàn)樗鼈兊暮锰幨遣蝗菀滓疬^敏性反應(yīng)，特別是兒童,、病人等體弱人群,。諸如異噻唑啉酮之類的殺菌劑目前正在接受公眾審查，大量接觸異噻唑啉酮可引起過敏和過敏反應(yīng)，如濕疹等,。德國(guó)生態(tài)標(biāo)簽藍(lán)天使認(rèn)證從2019年1月開始在內(nèi)墻涂料中不接受使用罐內(nèi)殺菌劑甲基異噻唑啉酮（MIT）和氯甲基異噻唑啉酮（CMIT）的涂料認(rèn)證,。

無機(jī)硅酸鹽涂料含有較強(qiáng)堿性的水玻璃硅酸鉀為粘合劑，可以提供低VOC,低氣味,，不含殺菌防腐劑等健康優(yōu)勢(shì),。這種礦物涂料能提供較少的潛在過敏性物質(zhì)和不含殺菌劑，但仍然保持極好的抵御微生物,，真菌和霉菌能力是因?yàn)橥苛舷到y(tǒng)的pH值可以長(zhǎng)期保持在11以上,。

不含殺菌劑水性建筑乳膠涂料的可能實(shí)現(xiàn)方法有：A. 巴氏消毒法（破壞涂料），B. 高鹽份(涂料質(zhì)量差),，C. 無水（粉末涂料）,，D. 高pH值（10~12之間，11~11.5最佳）,。

在這些方法中真正有效可行的是將水性乳膠漆的pH值調(diào)節(jié)并穩(wěn)定在理想值11~11.5之間,。常見調(diào)節(jié)乳膠涂料pH值的方法有氨水、液堿（氫氧化鈉,、氫氧化鉀,、碳酸鈉、碳酸鉀溶液）,、有機(jī)胺等,，但對(duì)于不含殺菌劑的乳膠漆的pH值要比普通乳膠漆高得多，因此pH值調(diào)節(jié)劑用量要大得多,，而這些pH值調(diào)節(jié)劑會(huì)有氣味大,、增加VOC、緩沖能力弱,、嚴(yán)重影響耐水性等一系列問題,。

調(diào)節(jié)不含殺菌劑的乳膠漆的pH值的最有效的方法是水玻璃，最常用的鉀水玻璃,，添加量一般在3~5%之間便可將乳膠漆的pH值調(diào)節(jié)到理想的11.0~11.5之間,，并可以長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。硅酸鉀的加入不但可以長(zhǎng)期抑制乳膠漆中微生物的生長(zhǎng),，而且能夠在一定程度上提高漆膜的耐擦洗性,、附著力和透氣性。不含殺菌劑的乳膠漆的參考配方見表25,。

表25 不含殺菌劑內(nèi)墻乳膠漆參考配方

無機(jī)硅酸鹽涂料技術(shù)在其它方面的應(yīng)用

無機(jī)硅酸鹽涂料技術(shù)是既古老又充滿活力和創(chuàng)新機(jī)遇的涂料技術(shù),，直到今天仍有許多不同領(lǐng)域的應(yīng)用值得去探索開發(fā)，特別是以下方向：

★ 基于溶膠-凝膠技術(shù)的常溫固化無機(jī)陶瓷涂料（2K或1K),；

★ 木材防火保護(hù)涂料,；

★ 除甲醛,、氮氧化物，抗霧霾等有害污染物光催化內(nèi)外墻無機(jī)涂料,，其原理示意圖如圖51,；

★ 超親水自清潔無機(jī)外墻涂料；

★ 一體板超強(qiáng)附著底漆和抗粘連罩光面漆,；

★ 高耐沾污罩光面漆,；

★ 耐污沾高紅外反射冷墻面外墻/屋頂涂料,；

★ 清水混凝土無機(jī)保護(hù)涂料；

……..

圖51 光催化內(nèi)外墻無機(jī)涂料

未完待續(xù)

敬請(qǐng)期待

作者簡(jiǎn)介

每周三，

《徐凱斌-無機(jī)硅酸鹽涂料技術(shù)》

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