表面预处理对钢结构防护涂层附着力的影响

无论是暴露于海洋环境或是工业大气中的钢结构,腐蚀的问题都相当突出,由此引起的经济损失和对人身安全的威胁十分严重,因此,采取有效的防腐措施,以减少这种腐蚀造成的损失极为重要。在钢结构表面涂刷防护涂层,是防止腐蚀的主要手段之一。而防护涂层与钢材表面间的良好附着力是保证防护涂层有效防护寿命的前提,防护涂层的附着力与许多因素有关,如涂装前表面处理的质量、涂料类型、涂装施工的工艺条件等,其中涂装前表面处理的质量是决定防护涂层附着力的最主要因素。涂装前对钢材表面的处理,俗称“除锈”,它不仅指除去钢材表面的铁锈,还包括除去覆盖在钢材表面的氧化皮、旧涂层、油脂、焊接残留物、灰尘及盐分等其他附着物,同时也包括对钢材不规则表面的处理。钢结构表面涂刷的防护涂层通常是靠涂料分子与金属表面极性基团之间的范德华力相互吸引以及基料、颜料与金属铁之间的化学反应,使涂层紧密覆盖在钢铁表面,达到保护钢铁的目的。因此,涂装前钢材表面应尽可能除去非铁物质,使金属铁裸露在表面,才能保证涂层与钢材表面间具备足够的结合力以达到好的防护效果。

    1 钢材表面各种附着物及不规则表面对涂层附着力的影响

    钢材在进行表面处理前,因环境及所处生产工艺阶段的不同,表面上会有氧化皮、锈蚀产物、旧涂层、油脂、焊接残留物、灰尘及盐分等各种附着物,有些工艺阶段还会使钢材表面产生不规则形状,下面就这些附着物及不规则表面对涂层保护性能的影响一一进行分析。

1.1氧化皮对涂层保护性能的影响

    各种钢结构所用钢材大多是热轧钢材,这些钢材刚出厂时,表面完整地覆盖着一层坚硬的氧化皮,这一层氧化皮肉眼看起来很紧密,但实际上有许多缝隙,这些缝隙会渗透水和氧气。热轧钢材的氧化皮大体上是由三层铁的氧化物组成的,表层是Fe2O3,中间层Fe3O4,与金属表面直接接触的是FeO。Fe2O3在化学上是稳定的,而FeO很不稳定,在水和氧的作用下,FeO很容易水解成铁的氢氧化物,这样,上述水解作用和腐蚀就会慢慢从缝隙开始,并沿着金属和氧化皮的界面向内深入,在界面上生成较大体积的锈蚀产物,从而引起氧化皮表层应力的变化,而氧化皮本身没有延展性,这样氧化皮很快就会带着它外面的涂层一起剥落下来。此外温度的变化、机械作用等物理因素也会引起氧化皮翘起或剥落。另外,从电化学观点看,氧化皮的电极电位比金属铁本身要正0.15～0.20V,当钢板的大部分表面上仍附有氧化皮时,在腐蚀性介质中氧化皮部分便构成一个大阴极,而在氧化皮不连续处的钢材则构成一个小阳极,从而发生严重的电化学腐蚀。同时有国内外大量的试验证实,除去氧化皮以后再涂装的钢材比带有氧化皮的钢材受保护的效果更好。因此,要提高防护涂层的附着力,必须充分重视钢材表面氧化皮的清理工作。

    1.2锈蚀产物对涂层保护性能的影响

    钢材表面上存在未清除的锈蚀产物时,涂层与金属表面之间不能直接接触,涂层的附着力会因此降低,影响涂层的保护性能。锈蚀产物对涂层保护性能的影响主要是来自于其中所含可溶性铁盐的作用。空气中的SO2和氯气在潮气的作用下,侵蚀钢板生成可溶性铁盐FeSO4或FeCl2。这些铁盐一方面水解、氧化成大量的铁锈,另一方面又起到催化作用,使钢材继续腐蚀,这一过程若发生在涂层下面,会很快引起涂层锈蚀穿透,形成早期的蚀点,使涂层过早起泡,其腐蚀过程见图1。可见,钢材表面锈蚀产物的清理情况是防护涂层附着力大小的决定性因素之一。

1.3钢板表面上其他附着物及不规则表面对涂层保护性能的影响

    钢板表面上其他附着物,包括旧涂层、油脂、焊接残留物、灰尘及盐分等等。这些附着物会导致过早出现砂眼并大大缩短涂层寿命,在这些表面附着物的消极影响中,少量的盐分要比油脂更严重；灰尘和焊接残留物会进入表面上的微孔和不规则区域中,致使钢板局部腐蚀；旧涂层一般已老化并且是局部分布的,它的存在会局部地分隔开新涂层与钢材表面,降低涂层附着力,使新涂层局部脱落。另外,由于焊接、火攻、切割等操作而导致的不规则表面,如焊接气孔、焊接飞溅、锐边或其他成型不好的钢材表面也要进行表面处理,一方面可以将能够导致涂层有效期缩短的附着物清除掉；另一方面,如果对这些不规则表面不进行处理,这些部位涂层的涂膜就会太薄,也很容易受流动液体的腐蚀,从而降低涂层的寿命。综上所述,充分的表面处理是提高防护涂层附着力,并获得优质涂层、延长涂层有效寿命的保证。

2 涂装前钢材表面处理情况对防护涂层附着力的影响

    钢材表面处理方式主要有：喷砂清理、动力工具打磨处理、酸洗及磷化处理等。这些表面处理方式的原理是：应用机械或化学的方法,清除其表面的氧化皮、锈蚀及其他附着物；应用机械方法处理影响涂层寿命的不规则表面。

    2.1机械方式处理后的表面质量对涂层附着力的影响

    喷砂清理与动力工具打磨处理均属于机械处理方式。喷砂清理是将磨料(钢丸、钢丝段、棱角钢砂等)以高速喷射至被处理的钢材表面,产生打击和磨削作用,除去钢材表面的氧化皮、锈蚀及旧涂层等附着物,让钢铁表面露出金属本色,并获得合适的粗糙度,以利于涂料的粘附；对车间底漆不完整表面以及焊痕、锐边等不规则表面在进行喷砂清理前,通常采用诸如钢丝刷、砂轮片等动力工具打磨的方式进行处理。试验证明,涂装前钢材表面粗糙度直接影响涂层与底材之间的附着力和涂层厚度的分布,对涂层的保护性能有很大的影响。涂层附着于金属表面主要靠涂料分子与金属表面极性基团之间的范德华力相互吸引以及基料、颜料与被保护金属之间的化学反应。钢材在喷丸除锈后,随着表面粗糙度的增大,涂料与金属接触的表面积也增大了,涂层与金属表面之间的范德华力以及可发生化学反应的接触面积也相应增大,这样必然会提高涂层的附着力。喷砂清理,特别是喷射具有棱角的磨料,不仅会增加钢材表面积,而且还为涂层附着提供了合适的表面几何形状,使得涂层与金属表面之间除了范德华力外,还有机械的齿合作用,对涂层的附着就更加有利。

    但粗糙度要适当,如果太大,也会不利于涂层的保护性能。与光滑的表面比较,涂料用量一定,粗糙表面上涂层的有效厚度就要低得多,容易导致波峰处的涂层厚度不足,早期的锈蚀一般就会从这里开始。另外,粗糙度过大,在较深的凹坑内就可能截留气泡,成为涂层起泡的根源。经验表明,对于通常的防腐涂装来说,钢材表面最大粗糙度的数值一般不应超过100μm,较合适的范围是40～75μm。对于钢材的不规则表面,在喷砂清理前,所有切割产生的锐边以及钢板上烧焊留下的痕迹,要分别进行打圆或其他处理。要得到圆滑的边缘,对钢板边缘可以采用动力工具打磨的方式进行处理,将90°或尖锐边角变成两个钝角,而锐边的圆角可指定一个最小半径范围,如R=2mm,这样,喷砂处

2.2化学方式处理后的表面质量对涂层附着力的影响

    酸洗、磷化处理及溶剂擦洗均属于化学处理方式。酸洗是应用无机酸或有机酸与钢铁表面的氧化皮、铁锈发生化学反应,生成可溶性铁盐,然后将其从钢铁表面清除的工艺手段；磷化是指在钢铁表面通过化学方法处理,生成各种不溶于水的金属磷酸盐膜层的过程,这种方式可提高钢铁表面的抗腐蚀能力,同时磷化膜作为涂料保护的底层,还可提高滑动面的耐磨耗性能；而油脂、焊接残留物及盐分等其他表面污染物可采用溶剂擦洗的方法清理掉,或用含有清洗剂的清水冲刷,再用清水清洁并干燥。如必要,这种清除油脂、冲洗并干燥的措施应在最后的喷砂清理之前做,以保证钢材表面的质量,获得具有良好耐久性的涂层。

2.3表面预处理后清洁作业对涂层附着力的影响

    通过一定的处理方式清除掉表面的氧化皮、锈蚀产物、旧涂层、油脂、焊接残留物、灰尘及盐分等各种附着物,并对钢材的不规则表面处理圆滑后,会在钢材表面留下一些副产物,为确保涂料与被涂表面的附着力,在涂装作业前,应对被涂表面进行清洁处理。各种表面处理作业在钢材表面留下的副产物有：废磨料、灰尘、盐分、污油、污水等,有时还会留下作业时的粉笔记号、标志涂料等,那么,涂装前表面清理工作的主要内容就是对这些会对涂层附着力产生影响的副产物加以清理。这些需要除掉的副产物可通过清水冲洗、压缩空气吹干、擦除等方法清理,其中的标志涂料如果与待涂装的涂层属同一类型,可不必完全清除,只需做必要的表面清洁。上述这一系列的表面预处理工作,对保证涂层与钢材之间的附着力具有重要的影响,在工作中应给予足够的重视。

    3 结语

    综上所述,钢材表面预处理在增强涂层与钢材之间附着力、提高涂层对钢结构防腐作用中的重要性是显而易见的,如果钢材表面不经处理就涂装防护涂层,涂层与钢材表面之间无法获得足够的附着力,会大大降低防护涂层对钢结构的防腐作用,即使涂层采用高质量的材料,也很难保证防腐体系的有效期。涂装前良好的表面处理,对提高钢结构的使用寿命可以起到事半功倍的效果。采用好的涂层配套体系,就如同给钢结构“穿”上了一件挡风御寒的外衣,而要达到良好的涂层保护效果,涂装前良好的表面处理是必不可少的,它可以使这件外衣牢牢地附着在钢结构表面,持久地担当起保护钢结构的重任。