人類文化的發(fā)展就是材料的發(fā)展歷程，金屬材料的出現(xiàn)顯著推動(dòng)了人類物質(zhì)文明的進(jìn)步，然而人類生活中大量應(yīng)用的金屬材料表面的腐蝕問(wèn)題也給人類社會(huì)造成了巨大損失。腐蝕可使零件性能變壞，精度下降，表面凹凸不平，壽命縮短，甚至報(bào)廢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)化國(guó)家，每年因腐蝕而造成的維修或更換產(chǎn)品費(fèi)用約占國(guó)民收入的5%。因此，金屬的防腐處理具有重要意義。
針對(duì)金屬腐蝕的原因采取適當(dāng)?shù)姆椒ǚ乐菇饘俑g，可以采用改變金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，制造各種耐腐蝕的合金；在金屬表面覆蓋保護(hù)層，使金屬制品與周?chē)g介質(zhì)隔離，從而防止腐蝕以及利用電化學(xué)保護(hù)法，在金屬表面覆蓋金屬氧化層。但這些傳統(tǒng)的金屬表面防腐蝕方法工藝較復(fù)雜，對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重，現(xiàn)在，金屬表面防護(hù)主要采用有機(jī)涂層防護(hù)，即在金屬表面涂敷有機(jī)防腐涂料，經(jīng)過(guò)常溫固化形成保護(hù)層，具有良好的抗腐蝕作用，在涂料中添加的助劑也具有電磁屏蔽、電化學(xué)保護(hù)等作用，有機(jī)防腐涂料因其施工方便，防腐效果好而得到廣泛應(yīng)用。有機(jī)防腐涂料中的應(yīng)用較為廣泛的一種類型為環(huán)氧樹(shù)脂涂料，它具有附著力強(qiáng)，涂層的硬度高，耐水和耐化學(xué)性穩(wěn)定，耐磨性較好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用到地面鋪裝、金屬防銹、管道防護(hù)以及船舶表面防銹等領(lǐng)域。但目前絕大多數(shù)環(huán)氧樹(shù)脂涂料都為溶劑型涂料，溶劑多為甲醇、丙酮等高揮發(fā)性有機(jī)物，有毒、易燃，對(duì)環(huán)境和人體造成非常嚴(yán)重的危害。因此，開(kāi)發(fā)更有效、環(huán)境友好的耐腐蝕涂料，一直是人們孜孜以求的目標(biāo)。近年來(lái)水性環(huán)氧涂料的迅速發(fā)展，給這一問(wèn)題的解決帶來(lái)了新的轉(zhuǎn)機(jī)?，F(xiàn)在多采用水溶劑型，與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，水性環(huán)氧涂料是一種新型、綠色環(huán)保產(chǎn)品，符合國(guó)家綠色環(huán)保的發(fā)展理念，涂裝中沒(méi)有有機(jī)溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的二次污染、對(duì)涂裝表面處理要求大大降低，并且耐水、耐潮濕、長(zhǎng)效防腐，由于水性環(huán)氧涂料“在惡劣的低表面狀態(tài)下，涂層與金屬或混凝土產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)”全新涂層成膜機(jī)理，突破了國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)涂料的防腐理念，涂層與金屬之間產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合、形成超強(qiáng)的附著力。
水性環(huán)氧涂料克服了傳統(tǒng)溶劑型系列涂料對(duì)表面處理的苛刻標(biāo)準(zhǔn)，尤其解決了直接在水下、或100%潮濕表面帶銹涂裝的難關(guān)，新型、綠色環(huán)保、環(huán)氧系列防腐涂料與水除銹的新工藝、新方法結(jié)合給現(xiàn)代涂料生產(chǎn)和涂裝工程的各行業(yè)都帶來(lái)了新的革命。新型、綠色環(huán)保、環(huán)氧系列防腐涂料是一種技術(shù)含量高、技術(shù)超前、可持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用在海洋工程、船舶海運(yùn)業(yè)、海軍艦艇、石油化工、地下工程、水力電力、跨海大橋、港口碼頭以及環(huán)境污染嚴(yán)重、不宜施工的水下鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的防腐領(lǐng)域。
1 水性環(huán)氧防腐蝕涂料的研發(fā)現(xiàn)狀
為了適應(yīng)綠色、環(huán)保發(fā)展要求，水性涂料——主要是以環(huán)氧樹(shù)脂為基料的耐油防腐涂料是世界各國(guó)涂料界主要研究的方向之一，市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)防腐涂料年需求量在100萬(wàn)噸以上，市場(chǎng)規(guī)模約為800億元人民幣；國(guó)際上的年需求量則為500萬(wàn)噸，規(guī)模在3000億美元。根據(jù)資料顯示，目前中國(guó)市場(chǎng)防腐涂料的需求量每年大約100萬(wàn)噸，該市場(chǎng)將以每年20%-30%的速度上升。作為傳統(tǒng)溶劑型防腐涂料的新型升級(jí)、替代產(chǎn)品，水性環(huán)氧涂料必將為提高我國(guó)工業(yè)防腐水平，降低成本，保護(hù)環(huán)境，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命將會(huì)作出巨大的貢獻(xiàn)。
國(guó)外對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的水性化技術(shù)的研究起步較早，在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)環(huán)氧樹(shù)脂水乳液，早期的水性環(huán)氧系統(tǒng)采用陽(yáng)離子和非離子型表面活性劑作為乳化劑配制環(huán)氧樹(shù)脂乳液，采用外加乳化劑配制的水性環(huán)氧體系由于存在較多的乳化劑，其耐水性和耐溶劑性等性能比溶劑型的差，而且適用期短。后來(lái)研究人員在環(huán)氧樹(shù)脂分子上采用接枝技術(shù)接上胺（或氨）中和的梭基等陰離子基團(tuán)，改變環(huán)氧樹(shù)脂表面極性，使環(huán)氧樹(shù)脂能夠溶解在水溶液中，具有自乳化能力，但這種工藝方法較復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，且環(huán)氧樹(shù)脂表面的化學(xué)接枝反應(yīng)控制較嚴(yán)格，反應(yīng)效率較低。1981年Robinosn在其文章中提出，通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂采用相反轉(zhuǎn)乳化技術(shù)，對(duì)其表面進(jìn)行接枝改性，獲得好的環(huán)氧樹(shù)脂水基分散體系，后相繼發(fā)表了采用相反轉(zhuǎn)法制備環(huán)氧樹(shù)脂水基乳狀液的專利，極大的推動(dòng)了環(huán)氧樹(shù)脂水乳液的發(fā)展。到八十年代末期，國(guó)外的環(huán)氧樹(shù)脂水性體系的制備已經(jīng)比較成熟，并己實(shí)現(xiàn)商品化，美國(guó)Hexion Specialty Chemicals開(kāi)發(fā)的環(huán)氧樹(shù)脂水性體系，通過(guò)在水溶液中引入聚二醇類，促進(jìn)雙酚環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑在水溶液中的反應(yīng)，提高其水乳化性能。環(huán)氧樹(shù)脂水乳液技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了水性環(huán)氧防腐涂料的發(fā)展，歐美Anchor公司發(fā)布的第1代可行的水性環(huán)氧涂料，基于液體雙酚A/F環(huán)氧樹(shù)脂，采用改性的脂肪族聚酰胺固化。十多年后，市場(chǎng)上才出現(xiàn)固體環(huán)氧樹(shù)脂分散體（Epi-Rez3520），之后，市場(chǎng)上出現(xiàn)了采用聚胺加成物的環(huán)氧樹(shù)脂分散體，20世紀(jì)90年代美國(guó)Sherwin Williams公司開(kāi)發(fā)了一種新型水性環(huán)氧涂料，其主要原理是采用一種新型雙酚A型固體環(huán)氧樹(shù)脂和一種新型改性胺固化劑，通過(guò)高速分散技術(shù)，將雙酚A型固體環(huán)氧樹(shù)脂和改性胺固化劑在水溶液中乳化，就可制成防腐涂料，具有使用期長(zhǎng)，貯存穩(wěn)定性好，涂層表面光澤高，固化時(shí)間短等優(yōu)異性能，具有非常好的耐濕性、耐水性、耐化學(xué)品性以及抗混凝土腐蝕性等特點(diǎn)，在國(guó)外，水性環(huán)氧防腐涂料己經(jīng)應(yīng)用到溶劑型環(huán)氧防腐蝕涂料所涉及到的領(lǐng)域。
我國(guó)關(guān)于水性環(huán)氧涂料的研究起步較晚，也相對(duì)較為落后，國(guó)內(nèi)的許多科研院所對(duì)水性環(huán)氧防腐涂料也進(jìn)行了深入研究，20世紀(jì)80年代，上海市涂料研究所經(jīng)過(guò)多年不懈努力研發(fā)成功了水性環(huán)氧涂料，應(yīng)用地坪等表面防護(hù)等領(lǐng)域?，F(xiàn)在，我國(guó)很多企業(yè)均能生產(chǎn)出性能優(yōu)異的水性環(huán)氧重防腐蝕涂料。武漢現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)研究院的新型防腐涂料，由環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯、聚酯、烯烴聚合物等組成涂料的主要組分，具備非常優(yōu)異的性能如耐濕性、耐水性、耐化學(xué)品性，且在常溫下能夠自固化，極大的提高了防腐涂料的應(yīng)用領(lǐng)域。天津燈塔涂料有限公司開(kāi)發(fā)的自乳化聚合乳液制造技術(shù)，制備出高性能水性環(huán)氧丙烯酸氨基微膠乳防腐涂料，已經(jīng)開(kāi)始用于石油化工、冶金、五金交電、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域。
2 水性環(huán)氧系列防腐涂料市場(chǎng)需求分析
2.1 新興海洋工程的市場(chǎng)分析（每年需求量5～10萬(wàn)噸，約20億～50億元）
在國(guó)外，新型、綠色環(huán)保、無(wú)溶劑環(huán)氧系列重防腐涂料涂料已為巴西、美國(guó)、墨西哥、馬來(lái)西亞的國(guó)家的200多座海洋鉆井平臺(tái)進(jìn)行了長(zhǎng)效重防腐涂裝，其中40多座為浮動(dòng)式大型深海鉆井平臺(tái)（集采、鉆、加工、儲(chǔ)備于一體的綜合大型浮動(dòng)式海洋平臺(tái)），該大型海洋鉆井平臺(tái)每座平臺(tái)防腐面積大約為60～80萬(wàn)平方米，并且海洋防腐年限可達(dá)到25年時(shí)間。
中國(guó)“十二五規(guī)劃中”提出了藍(lán)海戰(zhàn)略，海洋工程建設(shè)和維修有巨大的市場(chǎng)需求。
2.2 船舶工業(yè)的市場(chǎng)分析（每年需求量約20～30萬(wàn)噸，約40億～100億元）
中國(guó)2012年已成為世界第一造船大國(guó)，需要大量的優(yōu)質(zhì)船用涂料。例如，中國(guó)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司擁有800多艘遠(yuǎn)洋巨輪，平均每艘巨輪的涂裝面積為10萬(wàn)平方米左右；中國(guó)交通部下屬船運(yùn)公司有約幾千艘輪船，平均每條船的涂裝面積為1-2萬(wàn)平方米左右；中國(guó)漁機(jī)公司擁有90萬(wàn)艘漁船，平均每條漁船的涂裝面積為1000平方米左右。從上述來(lái)看，每年的涂料使用量是非常大的。過(guò)去，中國(guó)的漁船所用防腐涂料大多是不環(huán)保的低檔次涂料，急待選用環(huán)保型重防腐涂料。
遠(yuǎn)洋船舶工業(yè)歷來(lái)是受腐蝕最為嚴(yán)重的行業(yè)之一，也是主要受益者。無(wú)論是在造船或修船領(lǐng)域，都有廣泛的應(yīng)用，其環(huán)保性和低表面處理特性，作為船舶壓載艙、油艙、污水艙、化學(xué)品艙以及艙底防污保護(hù)的特涂新工藝，為廣大用戶提供了最佳的重防腐解決方案。
2.3 國(guó)防軍事裝備和設(shè)施的市場(chǎng)分析（每年需求量約3～5萬(wàn)噸，約30億～50億元）
國(guó)防工業(yè)，尤其中國(guó)海軍航母艦船、潛艇等均需要高技術(shù)、高性能的新型、綠色環(huán)保、無(wú)溶劑環(huán)氧系列重防腐涂料。項(xiàng)目研制和生產(chǎn)的產(chǎn)品2011年已通過(guò)中國(guó)海軍涂料檢測(cè)中心的檢測(cè)和認(rèn)證，已為中國(guó)海軍所認(rèn)可，并批量使用于南海艦隊(duì)的艦船維修。在國(guó)防地下坑道、豎井、隧道、儲(chǔ)水池等地下工程終日潮濕，急需混凝土防水防潮的防腐涂料。國(guó)內(nèi)的地下工程需要做防水防潮防腐的工程大約有數(shù)千萬(wàn)平方米，市場(chǎng)前景極好。
2.4 化工石化醫(yī)藥行業(yè)防腐市場(chǎng)分析（每年需求量約10～20萬(wàn)噸，約40億～80億元）
化工石化醫(yī)藥行業(yè)儲(chǔ)罐和管道裝備對(duì)環(huán)境和安全性的要求很高。產(chǎn)品的無(wú)揮發(fā)溶劑的生態(tài)環(huán)保特性，充分滿足了化工行業(yè)設(shè)備管道防腐工程作業(yè)的需要。由于表面處理工藝采用了高壓水沖洗，并且表面處理過(guò)程中無(wú)粉塵，無(wú)須專門(mén)準(zhǔn)備通風(fēng)設(shè)施，且無(wú)濕度要求，為化工石化醫(yī)藥行業(yè)的防腐保護(hù)帶來(lái)安全可靠的施工，無(wú)污染和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。全球最大的殼牌石油公司采用國(guó)際公司提供的生態(tài)環(huán)保重防腐涂料進(jìn)行儲(chǔ)油大罐的維修與防腐，目前已完成了200多個(gè)原油儲(chǔ)罐的罐底與罐頂維修與長(zhǎng)效防腐。維修施工時(shí)間短，僅僅15天左右，工期短，節(jié)省了開(kāi)支，修復(fù)后的儲(chǔ)罐比新建儲(chǔ)罐使用壽命還要長(zhǎng)。
2.5 水利、橋梁等水下金屬和混凝土重防腐的市場(chǎng)分析（每年需求量10～15萬(wàn)噸，約20億～30億元）
水下重防腐涂料，是可以在海洋中水下施工的特殊防腐涂料。產(chǎn)品在水下對(duì)金屬、混凝土或玻璃鋼表面，坑洼不平都可以進(jìn)行補(bǔ)平、涂裝和防腐。對(duì)水下混凝土裂縫可以注射修復(fù)，例如，水庫(kù)大壩水下發(fā)生裂紋在水下即可注射密封修復(fù)。
綜上所述，水性防腐涂料有效的解決了造船、修船、海洋工程、石油化工、國(guó)防軍事裝備和水電設(shè)施等防腐工程中的許多技術(shù)難題，使各種惡劣環(huán)境條件下的防腐施工方便易行，在大量節(jié)省工時(shí)、大幅降低防腐造價(jià)的同時(shí)，更能確保涂層的長(zhǎng)效防護(hù)功能，減少停產(chǎn)及設(shè)備維護(hù)次數(shù)，有效的保護(hù)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，從而大幅度節(jié)省防腐治理的投資費(fèi)用，大幅減少因金屬腐蝕所造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)危害。
3 水性環(huán)氧防腐蝕涂料的發(fā)展
傳統(tǒng)的水性環(huán)氧涂料主要是水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液與填料顆粒分散體混合物，在通過(guò)添加各種性能的助劑，如增稠劑、分散劑、成膜助劑、防霉劑、緩蝕劑、流平劑等助劑，以達(dá)到要求的施工性能、成膜質(zhì)量和穩(wěn)定的貯存期。涂料的研究方向主要通過(guò)對(duì)環(huán)氧合金化、環(huán)氧結(jié)構(gòu)改性、膨脹單體改性、填充無(wú)機(jī)填料等方式改善環(huán)氧樹(shù)脂的性能，提高其對(duì)金屬的附著力，以及耐化學(xué)藥品性和耐油性，但由于環(huán)氧樹(shù)脂戶外耐候性差，漆膜易粉化、失光，豐滿度不好，因此傳統(tǒng)水性環(huán)氧涂料經(jīng)常用作底漆，限制其大范圍應(yīng)用。
現(xiàn)代水性環(huán)氧涂料的工藝原理主要采用新型稀釋劑如丙酮等有機(jī)溶液對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行充分稀釋，通過(guò)微米級(jí)陶瓷粉的加入對(duì)稀釋后的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行耐蝕耐磨改性，采用環(huán)氧樹(shù)脂水乳液作為環(huán)氧基組份，通過(guò)將環(huán)氧樹(shù)脂與具有表面活性的聚醚二元醇在路易斯酸催化劑存在下反應(yīng)生成的、端基分別為環(huán)氧基和羥基的聚合物型乳經(jīng)劑，水溶性胺類作為固化劑，由多乙烯多胺經(jīng)封端、加成、成鹽工藝改性制得，配制成雙組份水性環(huán)氧樹(shù)脂防腐底漆。
為了適應(yīng)綠色、環(huán)保發(fā)展要求，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水性環(huán)氧防腐涂料的研究方向主要致力于助劑和防銹填料的研究，研究人員利用高效分散技術(shù)，將少量硅酮樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂混合起來(lái)，利用硅酮優(yōu)異的耐熱性制成新的耐熱防腐涂料。另外，研究人員利用酮亞胺水解后生成的胺可以與環(huán)氧樹(shù)脂作用，通過(guò)添加酮亞胺代替常見(jiàn)的聚酰胺、聚胺，提高涂料的耐水防腐性能，研究利用橡膠對(duì)水蒸氣等腐蝕介質(zhì)的阻隔性和硅酮的耐高溫性，在涂料中添加氯化橡膠、硅酮樹(shù)脂，其與環(huán)氧樹(shù)脂共混生成聚合物—聚合物類型涂料，可以用單層涂膜來(lái)實(shí)現(xiàn)普通多層薄膜的防護(hù)功能。另外在環(huán)氧樹(shù)脂上涂覆一層充有靜電的極短的密集纖維，用于船體，可防止海生物附著和增強(qiáng)船體抗腐蝕能力。對(duì)于防銹填料進(jìn)行研究，研發(fā)無(wú)公害高性能的防銹填料，淘汰含Hg、Cr、Pb等重金屬化合物的防銹漆，推廣無(wú)毒的磷酸鋅、磷酸鋁等防銹顏料，目前研究人員開(kāi)發(fā)了一種鋅鋁合金鱗片，可通過(guò)其鱗片狀表面的“迷宮效應(yīng)”來(lái)延緩腐蝕，同時(shí)還具有陰極保護(hù)作用，具有良好的延展性，耐熱性好，表面反射率高，美國(guó)Moly-White公司開(kāi)發(fā)了一種無(wú)毒防銹顏料——磷鉬酸鋅鈣，其防銹能力超過(guò)普通的防銹填料8～10倍。美國(guó)Sherwin-Williams公司采用三聚磷酸鋁，其能離解產(chǎn)生三聚磷酸根離子，具有極強(qiáng)的絡(luò)合能力，能與鋼鐵表面的鐵離子反應(yīng)生成致密的鈍化膜而阻止腐蝕繼續(xù)，研究人員新開(kāi)發(fā)的鋅-硅酸鹽改性三聚磷酸鋁則使用效果更好。另外，發(fā)現(xiàn)金屬錳及其化合物，如四氧化錳、鐵氧體等均是水性重防腐蝕涂料用的很好的防銹顏料。
4 結(jié)論
金屬表面腐蝕造成巨大的損失，防腐涂料由于其具備的性能優(yōu)異、制造方便、價(jià)格低廉等一些其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此在選擇防腐措施時(shí)成為優(yōu)先考慮的對(duì)象。在環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，國(guó)外防腐蝕涂料的發(fā)展以無(wú)污染、無(wú)公害、節(jié)省能源、經(jīng)濟(jì)高效為原則?？傊?，厚膜化、高耐久性、無(wú)污染或低污染、低成本、易施工是水性環(huán)氧防腐蝕涂料發(fā)展的方向。