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冷涂锌涂层配套设计和无气喷涂技术
冷涂锌又称冷镀锌、涂膜镀锌、锌基涂镀等,是一种特殊的富锌材料。干膜中锌粉含量高达96%,防腐蚀性优异;单组分包装,使用方便,无混合使用期限制;在合理设计涂层配套和涂装工艺的基础上,冷涂锌是替代热浸涂锌、电弧喷锌的最好材料。这可减少三废、降低能耗、明显提高环保保护的综合效益。
冷涂锌在我国得到飞迅速的发展,除国外进口的冷涂锌外,国内也有众多厂家生产冷涂锌涂料。2013年,包括单独成膜和与重防腐涂料配套成膜的冷涂锌产量,全国共使用了冷涂锌4200 t,约2.5亿人民币。冷涂锌产品的国家标准(草稿)已拟定;电力的设计规范中,已指定冷涂锌可应用在空冷岛的涂装中;建筑钢结构的配套设计中也允许使用冷涂锌。冷涂锌在我国重防腐行业得到了迅速的发展。
冷涂锌涂层的使用寿命
冷涂锌涂层的使用寿命是冷涂锌的一项技术指标,它不是钢结构的使用寿命,也不是商业上的承诺寿命, 而是根据ISO 12944-2007《色漆和清漆 防护漆体系对钢结构的腐蚀防护》、ISO4628-2003《色漆和清漆涂层老化的评定》等国际标准的有关规定,是指涂层施工完成后到第一次大修的年限。当涂层锈蚀等级达到 IS0 4628-2003标准的Ri3级,锈蚀面积约为1%时开始 第一次大修最经济有效。
锈蚀定义:(Rusting)漆膜下面的钢铁表面,局部或整体产生红色或黄色的氧化铁的现象。它常伴随有漆膜的起泡、开裂、片落等病态。
ISO 4628-2003锈蚀的等级
生锈等级
生锈区域/%
Ri0
0
Ri1
0.05
Ri2
0.5
Ri3
1
Ri4
8
Ri5
40-50
单独成膜的冷涂锌涂层
冷涂锌的干膜中,锌粉含量为(96 土 2)%,主要依靠锌粉的阴极保护作用来达到防锈的目的,并可以像热浸涂锌、电弧喷锌等一样计算涂层的使用寿命。
现以某钢结构工程为例。表面处理清洁度达到ISO 8501-1-2007《涂料和有关产品使用前钢基底的制备一表面清洁度的视觉评定》规定的Sa2.5级、粗糙度Rz=50〜70 μm, 锌粉损耗率为0.9,喷涂冷涂锌80 μm,单独做防腐涂层;处在ISO 12944-2-1998《色漆和清漆 防护漆体系对钢结构的腐蚀防护 第2部分》腐蚀等级为C4的腐蚀 环境条件下,锌的年腐蚀率以25g/m2计算。
C3-C4大气环境分类
腐蚀类别
单位面积上质量的损失(第一年曝晒后)
混和气候下典型环境
低碳钢
质量损失g/m2
厚度损失/μm
质量损失g/m2
厚度损失/μm
C3中
200-400
25-50
5-15
0.7-2.1
外部,城市和工业大气中等的SO2污染,低盐度的沿海地区
C4高
400-650
50-80
15-30
2.1-4.2
高盐度的工业地区和沿海地区
冷涂锌涂层耐用年限N= 80x7.14x0.96x0.9/25=19.7≈20 (a)
式中80 —冷涂锌涂层厚度,μm。
7.14—1m2x 1 μm冷涂锌涂层质量,g/(m2·μm)。
0.96—冷涂锌涂层锌粉含量。
0.9—冷涂锌涂层有效利用率。
25—冷涂锌涂层锌的腐蚀率,g/m2。
冷涂锌作为重防腐涂料的配套底层
以冷涂锌做底层,配套以重防腐涂料的中层和面漆,复合涂层具有>20 a的防腐年限。判定的依据是:
(1)根据ISO 14713-2009《锌镀层结构中铁和钢的防腐蚀指南与建议》,在冷涂锌厚度为60〜80 μm时, 符合涂层>20 a的防腐年限;
(2)等同效应。
20世纪90年代荷兰热浸涂锌研究所研究发表了“等加效应”研究结果,即热浸涂锌、电弧喷锌、冷涂锌等表面涂重防腐涂料,其复合涂层使用寿命为两者使用寿命的1.8〜2.4倍。从理论上分析,对照ISO 14713-2009,作为底涂的冷涂锌干膜厚控制在60〜80 μm就足够了。复合涂层的使用寿命一般在20〜30 a。
配套方案与规定膜厚
设计单位对宁波某大桥钢梁拟定的配套方案与规定膜厚,其中存在一些不合理之处,需要全面分析。
宁波某大桥配套方案
涂层膜类型
涂层厚度/μm
冷涂锌
100
环氧云铁中层漆
150
聚氨酯面漆
80
在这个配套方案中,存在着下列问题:
(1)按ISO 12944- 2007的规定,宁波某大桥处于C4腐蚀环境下,富锌底漆锌粉量达到80%,干膜厚达到 60〜80 μm,总膜厚为240 μm,涂层就可取得最高使用寿命等级,即涂层寿命>15a; 在上述配套中,冷涂锌的锌粉含量高达96%,干膜达到100 μm、总膜厚为 330μm。明显浪费资源,有悖于节约、环保的原则。
(2)在大桥涂装中,必须用无气喷漆法喷涂冷涂锌, 一道推荐膜厚一般为40〜60 μm。要达到100 μm规定膜厚至少喷二道冷涂锌。冷涂锌不是“湿碰湿”的涂料, 内层未干,不仅极易引起冷涂锌层间裂开,而且不能适应桥梁钢结构涂装流水线的生产节拍。
(3)冷涂锌是一种有机富锌涂料,无需喷涂封闭漆。在上述配套中,采用的环氧云铁中间漆,它的固含量高达80%、又含有片状的云母氧化铁颜料,150μm干膜厚,使冷涂锌内溶剂无法挥发;环氧树脂极性又强,就将单组分的冷涂锌“连根拔起”,整个涂层脱落。建议配套快干型的中层漆,一次喷漆的膜厚μm以增强复合涂层的配套能力。
(4)在现代化的涂装工程中,为保涂层质量,底、 中、面漆配套涂料必须是同一厂家的产品。若冷涂锌与其他厂生产的重防腐配套,事先需做大量的配套性能测试,否则会发生因配套性不好而使涂层失效。
提高冷涂锌的无气喷漆技术
虽然冷涂锌可以采用多种方式进行涂装,如刷涂、浸涂、有气喷涂等,但用无气喷涂法的冷涂锌涂层附着力最好,也是控制膜厚的最好办法。冷涂锌的无气喷涂技术包括4个方面。
(1)  必须采用富锌底漆的专用喷漆机
由于冷涂锌比富锌底漆有更高的锌粉含量,沉淀速度快,易结块,易损坏无气喷漆机的压送机构,必须采用富锌专用无气喷漆机。它的特点是:
①压泵的加压活塞与连杆运动速度慢,降低了压送机构的磨损;
②配备专用的搅拌装置,边搅拌边喷漆;
③压送机构等都采用特殊的耐磨材料,配备的令用喷枪、喷嘴和高压软管有较高的耐磨性;
④压缩空气进气管与涂料输出管孔径较大,涂料的输送量大;
⑤加压活塞系统与高压柱塞系统设计成分体式结构,便于清洗,保养与更换易损件。
(2)  喷嘴的选择与及时调换
根据冷涂锌的规定膜厚和待涂钢结构的形状选择合适孔径大小和喷幅,这是保证涂层质量和耗漆量的关键。在施工中,应随时注意孔径和喷幅的变化。喷冷涂锌的喷嘴磨损严重,喷孔变大变圆,流量增大,不仅会严重影响漆膜的外观质量及膜厚质量,而且成倍增如耗漆量。通常在扇形面积时,需及时更换喷嘴。
枪嘴的磨损和喷涂流量
磨损程度
喷嘴大小/in
喷幅/mm
流量/(L·min-1)
初始尺寸
0.015
305
0.90
磨损1
0.017
280
1.15
磨损2
0.019
230
1.50
磨损3
0.021
140
1.80
(3)喷漆压力的控制
无气喷涂冷涂锌时,它的喷气压力应控制于。如喷漆压力>18.0 MPa,冷涂锌中锌粉会堵塞喷嘴,无法继续涂装施工。
(4)添罝气动涂料搅拌器,除了喷涂前充分搅拌外,还应做到边喷涂边搅拌。
为取得冷涂锌的最好防腐蚀效果,并节能减耗,保护环境,需做好关键工作:合理设计冷涂锌的规定膜厚和合适的重防腐涂料类型与规定膜厚。在涂装工艺设计中,釆用无气喷漆应控制好喷嘴、设备、喷漆压力等工艺环节。
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