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)化國家，每年因腐蝕而造成的維修或更換產(chǎn)品費(fèi)用約占國民收入的5%。因此，金屬的防腐處理具有重要意義。
針對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，使金屬制品與周圍腐蝕介質(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，對環(huán)境和人體造成非常嚴(yán)重的危害。因此，開發(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)。近年來水性環(huán)氧涂料的迅速發(fā)展，給這一問題的解決帶來了新的轉(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，符合國家綠色環(huán)保的發(fā)展理念，涂裝中沒有有機(jī)溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的二次污染、對涂裝表面處理要求大大降低，并且耐水、耐潮濕、長效防腐，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)氧樹脂為基料的耐油防腐涂料是世界各國涂料界主要研究的方向之一，市場數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)防腐涂料年需求量在100萬噸以上，市場規(guī)模約為800億元人民幣；國際上的年需求量則為500萬噸，規(guī)模在3000億美元。根據(jù)資料顯示，目前中國市場防腐涂料的需求量每年大約100萬噸，該市場將以每年20%-30%的速度上升。作為傳統(tǒng)溶劑型防腐涂料的新型升級、替代產(chǎn)品，水性環(huán)氧涂料必將為提高我國工業(yè)防腐水平，降低成本，保護(hù)環(huán)境，延長設(shè)備使用壽命將會(huì)作出巨大的貢獻(xiàn)。
國外對環(huán)氧樹脂的水性化技術(shù)的研究起步較早，在20世紀(jì)70年代就開始研究開發(fā)環(huán)氧樹脂水乳液，早期的水性環(huán)氧系統(tǒng)采用陽離子和非離子型表面活性劑作為乳化劑配制環(huán)氧樹脂乳液，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。后來研究人員在環(huán)氧樹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)氧樹脂表面極性，使環(huán)氧樹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，通過對環(huán)氧樹脂采用相反轉(zhuǎn)乳化技術(shù)，對其表面進(jìn)行接枝改性，獲得好的環(huán)氧樹脂水基分散體系，后相繼發(fā)表了采用相反轉(zhuǎn)法制備環(huán)氧樹脂水基乳狀液的專利，極大的推動(dòng)了環(huán)氧樹脂水乳液的發(fā)展。到八十年代末期，國外的環(huán)氧樹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Hexion Specialty Chemicals開發(fā)的環(huán)氧樹脂水性體系，通過在水溶液中引入聚二醇類，促進(jìn)雙酚環(huán)氧樹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)氧樹脂，采用改性的脂肪族聚酰胺固化。十多年后，市場上才出現(xiàn)固體環(huán)氧樹脂分散體（Epi-Rez3520），之后，市場上出現(xiàn)了采用聚胺加成物的環(huán)氧樹脂分散體，20世紀(jì)90年代美國Sherwin Williams公司開發(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)氧樹脂和一種新型改性胺固化劑，通過高速分散技術(shù)，將雙酚A型固體環(huán)氧樹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，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。
我國關(guān)于水性環(huán)氧涂料的研究起步較晚，也相對較為落后，國內(nèi)的許多科研院所對水性環(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)開始用于石油化工、冶金、五金交電、汽車、船舶等領(lǐng)域。
2 水性環(huán)氧系列防腐涂料市場需求分析
2.1 新興海洋工程的市場分析（每年需求量5～10萬噸，約20億～50億元）
在國外，新型、綠色環(huán)保、無溶劑環(huán)氧系列重防腐涂料涂料已為巴西、美國、墨西哥、馬來西亞的國家的200多座海洋鉆井平臺(tái)進(jìn)行了長效重防腐涂裝，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60～80萬平方米，并且海洋防腐年限可達(dá)到25年時(shí)間。
中國“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需求。
2.2 船舶工業(yè)的市場分析（每年需求量約20～30萬噸，約40億～100億元）
中國2012年已成為世界第一造船大國，需要大量的優(yōu)質(zhì)船用涂料。例如，中國遠(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10萬平方米左右；中國交通部下屬船運(yùn)公司有約幾千艘輪船，平均每條船的涂裝面積為1-2萬平方米左右；中國漁機(jī)公司擁有90萬艘漁船，平均每條漁船的涂裝面積為1000平方米左右。從上述來看，每年的涂料使用量是非常大的。過去，中國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)歷來是受腐蝕最為嚴(yán)重的行業(yè)之一，也是主要受益者。無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 國防軍事裝備和設(shè)施的市場分析（每年需求量約3～5萬噸，約30億～50億元）
國防工業(yè)，尤其中國海軍航母艦船、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年已通過中國海軍涂料檢測中心的檢測和認(rèn)證，已為中國海軍所認(rèn)可，并批量使用于南海艦隊(duì)的艦船維修。在國防地下坑道、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)千萬平方米，市場前景極好。
2.4 化工石化醫(yī)藥行業(yè)防腐市場分析（每年需求量約10～20萬噸，約40億～80億元）
化工石化醫(yī)藥行業(yè)儲(chǔ)罐和管道裝備對環(huán)境和安全性的要求很高。產(chǎn)品的無揮發(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，并且表面處理過程中無粉塵，無須專門準(zhǔn)備通風(fēng)設(shè)施，且無濕度要求，為化工石化醫(yī)藥行業(yè)的防腐保護(hù)帶來安全可靠的施工，無污染和可觀的經(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)省了開支，修復(fù)后的儲(chǔ)罐比新建儲(chǔ)罐使用壽命還要長。
2.5 水利、橋梁等水下金屬和混凝土重防腐的市場分析（每年需求量10～15萬噸，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。對水下混凝土裂縫可以注射修復(fù)，例如，水庫大壩水下發(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)氧樹脂乳液與填料顆粒分散體混合物，在通過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對環(huán)氧合金化、環(huán)氧結(jié)構(gòu)改性、膨脹單體改性、填充無機(jī)填料等方式改善環(huán)氧樹脂的性能，提高其對金屬的附著力，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)溶液對環(huán)氧樹脂進(jìn)行充分稀釋，通過微米級陶瓷粉的加入對稀釋后的環(huán)氧樹脂進(jìn)行耐蝕耐磨改性，采用環(huán)氧樹脂水乳液作為環(huán)氧基組份，通過將環(huán)氧樹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)氧樹脂防腐底漆。
為了適應(yīng)綠色、環(huán)保發(fā)展要求，國內(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)，將少量硅酮樹脂與環(huán)氧樹脂混合起來，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)氧樹脂作用，通過添加酮亞胺代替常見的聚酰胺、聚胺，提高涂料的耐水防腐性能，研究利用橡膠對水蒸氣等腐蝕介質(zhì)的阻隔性和硅酮的耐高溫性，在涂料中添加氯化橡膠、硅酮樹脂，其與環(huán)氧樹脂共混生成聚合物—聚合物類型涂料，可以用單層涂膜來實(shí)現(xiàn)普通多層薄膜的防護(hù)功能。另外在環(huán)氧樹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。對于防銹填料進(jìn)行研究，研發(fā)無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，推廣無毒的磷酸鋅、磷酸鋁等防銹顏料，目前研究人員開發(fā)了一種鋅鋁合金鱗片，可通過其鱗片狀表面的“迷宮效應(yīng)”來延緩腐蝕，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Moly-White公司開發(fā)了一種無毒防銹顏料——磷鉬酸鋅鈣，其防銹能力超過普通的防銹填料8～10倍。美國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)先考慮的對象。在環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，國外防腐蝕涂料的發(fā)展以無污染、無公害、節(jié)省能源、經(jīng)濟(jì)高效為原則。總之，厚膜化、高耐久性、無污染或低污染、低成本、易施工是水性環(huán)氧防腐蝕涂料發(fā)展的方向。