本期内容概要：
其它无机硅酸盐涂料
专栏作者｜徐凯斌
上海澳润化工有限公司
其它无机硅酸盐涂料
无机硅酸盐涂料技术除主要用于建筑内外墙无机涂料外（满足DIN18363标准要求，高分子有机物含量小于5%），还可以应用于许多其它涂料中。其中应用较广的是始于上世纪七十年代至今的水性硅酸盐无机富锌防腐底漆和刚在欧洲兴起的不含杀菌剂（Biocide-free）的乳胶漆(乳液含量不限，通过硅酸盐来调节乳胶漆的pH到11以上来达到防腐目的，而无需另外添加易致敏性防腐剂)。
水性硅酸盐无机富锌防腐底漆
水性硅酸盐无机富锌防腐底漆中含有大量锌粉，并且主要应用于钢铁基材上，因此同之前讨论的硅酸盐涂料应用在含有大量钙、镁离子的无机底材上发生的化学反应不同。
金属锌为可以同时与酸、碱反应的二价金属，化学性质活泼，可与碱金属硅酸盐反应，因此不能生产单组份涂料，这也可以从锌的溶解性质中看出。
锌的溶解性主要取决于它所处的水溶液的pH和温度：当水溶液为中性时，锌是不溶的；随酸性增大，pH减小，锌可以与氢离子发生置换反应生成氢气，锌的溶解性增大；同时锌也可以与碱反应，当pH大于11时，锌的溶解性随pH增大而增大。
当水性硅酸盐无机富锌防腐底漆涂装在钢材底材上，随着水的挥发，硅酸盐沉积在基材上并浓缩脱水聚合为分子量更大的预聚物，如下式所示：
预聚物通过与锌粉颗粒表面的锌离子反应，生成生不溶性的多聚硅酸锌的聚合物基质，如下式所示。
随后，硅酸盐可以同空气中的二氧化碳产生的碳酸反应，生成多聚硅酸进一步同锌粉表面的锌离子反应，如下式：
最终反应完全可能需要几个月的时间，一般最初反应发生在同大气接触的表层，并逐渐向涂层的底层固化，最后深入到钢材基体，也同钢铁底材上的铁离子(Fe2+/3+)一起反应络合，形成多聚硅酸锌铁的聚合物。在此期间，涂层的交联密度增加，从而得到一个坚硬、耐用、致密的主要由硅酸锌聚合物组成的三维无机结构，如图50所示。
图50 水性硅酸盐无机富锌底漆完全固化后的网络结构
锌粉在涂料中兼具防锈和固化剂的双重作用，一是作为牺牲的阳极，对钢铁进行阴极保护，起防锈作用；另一个作用是可以作为硅酸盐的固化剂，促进固化反应的进行。
水性无机富锌中硅酸盐的活性硅酸与喷砂钢结构表面的铁可以发生化学反应，漆膜通过化学键附着在钢结构表面，具有极佳的附着力。即使磕碰后，漆膜也不会大面积翘皮或脱落，而只是磕碰处出现凹坑和刮痕，且由于锌的阴极保护作用基材也不易生锈。
水性无机富锌涂料中的基料主要是硅酸钾和硅酸锂，其中应用最多的还是硅酸钾。同无机硅酸盐建筑涂料中类似，硅酸钠虽然价格便宜，但干燥速度慢，涂厚耐水性差，很少采用。硅酸钾则因为固含高，干燥较快，成膜性好，易获得高模数产品，综合性能好且价格适中而被广泛使用。硅酸锂具有室温固化速度快、同锌粉混合后使用期长、耐水性好、盐析少等优点，其自固化的漆膜类似如烘烤的硅酸钠粘结剂，有极高的硬度、耐久性和耐磨性，在水性富锌底漆中具有最好的防腐性能，但由于水溶性较低，不易得到高浓度产品，且价格昂贵。基于硅酸锂的水性无机富锌底漆参考配方见表23所示。
表23中的水性硅酸盐无机富锌底漆参考配方一
水性富锌底漆中硅酸钾的模数高，干燥速度快，早期耐性好，固化后漆膜的抗化学品性、附着力和抗冲击性更好，遇水后更稳定，不易被破坏，涂层使用寿命更长。但模数过高也会带来稳定性降低、漆膜外观变差、液料对锌粉的润湿性降低、喷涂雾化不佳、对基材润湿性差而影响附着力和因内应力大而产生漆膜开裂脱落等问题。大量实验发现，硅酸钾的模数在4.8~6.5之间时，水性富锌的综合性能最佳。二十世纪七十年代初，美国国家航空太空总署（NASA）研究解决了高模数硅酸钾的稳定性问题，开发出著名的商品化名为IC 531水性富锌底漆，即以模数为5.3的硅酸钾水溶液作为基料的水性无机富锌涂料。
< 广告 >
由高模数硅酸钾基料形成的防腐涂层的耐水性、耐冲击性和附着力均比以低模数硅酸钾及其他硅酸盐基料所形成的防腐涂层强。
商品普通硅酸钾的最高模数一般为3.9，更高模数的硅酸钾的粘度会急剧增加而难以使用并且稳定性降低。要得到更稳定、更高模数的硅酸钾一般是向低模数的硅酸钾中加入一定量的硅溶胶和有机硅烷来改性，也称为高模数硅酸钾的稳定化。
硅酸钾固化成膜形成的网络大分子为刚性链段，所以水性无机富锌涂料的漆膜硬而脆。为了提高水性无机富锌涂料的柔韧性，同时提高附着力、耐水性和防腐性能，也常在硅酸钾的液料中加入一定量的硅丙、苯丙或纯丙乳液来进行改性，参见表24中的水性硅酸盐无机富锌底漆参考配方二。
表24中的水性硅酸盐无机富锌底漆参考配方二
为了更好地发挥水性无机富锌涂料的防腐性能，就需要与其他防腐中层漆和面漆配套使用。大量试验证明，对钢结构基材的表面处理要求达到Sa2.5~3级，在C4环境下超过15年的使用寿命，可以使用水性无机富锌涂料配套溶剂型或水性环氧云铁中层漆和聚氨酯、氟碳、硅氧烷等高性能防腐面漆的涂装体系。
水性无机富锌涂料通常为一液一固的双组分涂料，主剂是高模数硅酸钾或硅酸锂溶液，作为粘合剂 ，固化剂为以锌粉为主的粉体物质。二者混合后形成的水性无机富锌涂料具有以下特性 ：① 以水为溶剂和稀释剂，零VOC、无闪点、无公害、无污染、无着火危险,符合环保的规定; ②干燥迅速，在标准环境条件下,不到30min就可以表干，2h内实干，大大缩短施工间隔和周期；③厚涂性，喷涂一道膜厚可达70μm 以上；④耐挥发性油和有机溶剂性能优良；⑤硬度高，耐机械磨损性能优良；⑥不受切割、焊接损伤，无可燃挥发物的危害；⑦耐高温，连续耐热可达400℃以上；⑧耐紫外线、耐盐雾，具有长效的防锈、防腐效果。
水性硅酸盐无机富锌底漆同传统的醇溶性无机富锌底漆（基于正硅酸乙酯作基料）以及市场上最新出现的基于溶胶-凝胶（Sol-gel）技术（以硅溶胶和聚硅氧烷为主要粘结剂，涂膜中性无盐）的水性无机富锌底漆相比也有以下主要不足：一是基料中含有碱金属氧化物，固化完成后会生成碱金属碳酸盐停留在漆膜表面，影响后续涂层的附着力；二是由于涂膜中大量盐的存在，在潮湿和浸没环境下则由于渗透压的作用极容易引起涂层起泡；三是如果打砂除去富锌底漆也可能污染磨料。
< 广告 >
不含杀菌剂的乳胶漆
消费者希望生活在更加健康的室内环境中，对不含空气污染物和有害物质的水性涂料的需求不断增加。世界内墙乳胶漆市场上有两大最新环保趋势，一是生物基涂料，二是不杀含菌剂的乳胶漆，因为它们的好处是不容易引起过敏性反应，特别是儿童、病人等体弱人群。诸如异噻唑啉酮之类的杀菌剂目前正在接受公众审查，大量接触异噻唑啉酮可引起过敏和过敏反应，如湿疹等。德国生态标签蓝天使认证从2019年1月开始在内墙涂料中不接受使用罐内杀菌剂甲基异噻唑啉酮（MIT）和氯甲基异噻唑啉酮（CMIT）的涂料认证。
无机硅酸盐涂料含有较强碱性的水玻璃硅酸钾为粘合剂，可以提供低VOC,低气味，不含杀菌防腐剂等健康优势。这种矿物涂料能提供较少的潜在过敏性物质和不含杀菌剂，但仍然保持极好的抵御微生物，真菌和霉菌能力是因为涂料系统的pH值可以长期保持在11以上。
不含杀菌剂水性建筑乳胶涂料的可能实现方法有：A. 巴氏消毒法（破坏涂料），B. 高盐份(涂料质量差)，C. 无水（粉末涂料），D. 高pH值（10~12之间，11~11.5最佳）。
在这些方法中真正有效可行的是将水性乳胶漆的pH值调节并稳定在理想值11~11.5之间。常见调节乳胶涂料pH值的方法有氨水、液碱（氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾溶液）、有机胺等，但对于不含杀菌剂的乳胶漆的pH值要比普通乳胶漆高得多，因此pH值调节剂用量要大得多，而这些pH值调节剂会有气味大、增加VOC、缓冲能力弱、严重影响耐水性等一系列问题。
调节不含杀菌剂的乳胶漆的pH值的最有效的方法是水玻璃，最常用的钾水玻璃，添加量一般在3~5%之间便可将乳胶漆的pH值调节到理想的11.0~11.5之间，并可以长期保持稳定。硅酸钾的加入不但可以长期抑制乳胶漆中微生物的生长，而且能够在一定程度上提高漆膜的耐擦洗性、附着力和透气性。不含杀菌剂的乳胶漆的参考配方见表25。
表25 不含杀菌剂内墙乳胶漆参考配方
无机硅酸盐涂料技术在其它方面的应用
无机硅酸盐涂料技术是既古老又充满活力和创新机遇的涂料技术，直到今天仍有许多不同领域的应用值得去探索开发，特别是以下方向：
★ 基于溶胶-凝胶技术的常温固化无机陶瓷涂料（2K或1K)；
★ 木材防火保护涂料；
★ 除甲醛、氮氧化物，抗雾霾等有害污染物光催化内外墙无机涂料，其原理示意图如图51；
★ 超亲水自清洁无机外墙涂料；
★ 一体板超强附着底漆和抗粘连罩光面漆；
★ 高耐沾污罩光面漆；
★ 耐污沾高红外反射冷墙面外墙/屋顶涂料；
★ 清水混凝土无机保护涂料；
……..
图51 光催化内外墙无机涂料
未完待续
敬请期待
作者简介
每周三，
《徐凯斌-无机硅酸盐涂料技术》
连载专栏于 “PCI可名文化” 微信头条
持续更新
往期推荐
（点击图片回顾往期内容）
关注了好多公众号，
要找 “PCI可名文化” 很吃力？
不用急，设置“星标”
每天推送都不遗漏！
联系客服
