1 引言

自改革开放以来，我国的经济建设飞速地发展，随之一座座规模宏大的基础设施拔地而起，创造了一个个建设记录乃至奇迹！钢结构建筑因具有工作可靠性高、轻质高强、材料均匀、塑性韧性好、适合机械化加工、工业化生产程度高、施工周期短以及密封性能好等优点，在工业与民用建筑中得到了越来越广泛的应用。从20 世纪90 年代我国自行设计建造的第一座特大型悬索桥———虎门大桥起，近到世界上跨度最大的钢结构建筑———北京奥运主体育场“鸟巢”，再到上海世博会将保留的永久建筑具有世界上最大双向大跨度无柱展厅———中国馆，都是我国建筑史上的代表作品。

但是，易腐蚀是钢结构的致命缺点之一，一旦被腐蚀，其强度等主要力学指标显著下降，严重地降低了钢结构件和建筑的安全性和耐久性中国建材网cnprofit.com。

因此在钢结构防腐工程中主要采用的是多道涂层的防腐配套体系。ISO4618—2006《色漆和清漆涂覆材料的术语和定义》将多道涂层的防腐体系定义为“涂装在底材上的所有涂层的总称”，NACE 将其定义为“按照预定顺序和道数在底材上涂装完毕的涂层”。一般这种体系是由底漆、中间漆和面漆组成，底漆起的作用是附着在底材上，为以后施工的涂料提供基础，保护底材免遭腐蚀等；

中间漆的作用是增强整个体系的屏蔽性、减少外界的腐蚀介质的渗透，增加干膜厚度以及承上启下；面漆的作用是良好的保光保色性、不易粉化，具有指定的光泽、装饰性强等。

涂料技术经过几十年的发展，每个时期都有独特的代表性产品，其中面漆种类的发展可谓“百花齐放”。本文针对目前钢结构防腐工程中普遍采用的代表现在和未来发展趋势的3 种高档面漆：聚氨酯涂料、氟碳涂料和聚硅氧烷涂料进行归纳和对比，以便钢结构防腐工程中的相关人员（包括设计、施工、质量控制、油漆供应商）对此有个正确的了解。

2 三种面漆简述

2.1 聚氨酯涂料

脂肪族聚氨酯涂料是一种高性能的长效重防腐蚀涂料，在大部分严重腐蚀环境中都得到广泛的应用。目前应用最多的配套是富锌（有机或无机）底漆1 道/环氧云铁中间漆1～2 道/聚氨酯面漆2 道，总干膜厚为200 ～ 350 μm。这一配套十多年来已被广泛应用于桥梁、建筑钢结构、石油化工、电站、船舶和海上设施等面对严重腐蚀的各个钢结构防腐领域，并被证明是行之有效的。其涂层防护期，一般在沿海地区有10 年左右，在内陆地区可达15 年以上。例如由老人牌无机富锌底漆/环氧封闭漆/环氧云铁中间漆/聚氨酯面漆所组成的外防腐配套体系，经国家涂料质量监督检验中心多次

检测，结果如下：

耐中性盐雾试验：4 392 h 达到一级（良好级），8 000 h 达到二级（合格级）；

湿热试验：1 000 h 漆膜无变化，评为一级；

人工气候老化：1 000 h 不起泡、不脱落、不开裂、不生锈；

耐酸、耐碱试验：5%H2SO4 溶液中8 h，合格；5%NaOH 溶液中60 h，合格。

聚氨酯涂料固化机理如下：

nOCN—R—NCO+ nHO— R＇—OH →（CONH—R—NHCO—OR＇— O）n

对聚氨酯面漆及其配套耐盐雾性指标，国家有关行业标准一般规定为1 000 h （如HG/T 3565—1999《钢结构桥梁漆》、TB/T 2773—1997《铁路钢桥用面漆供货技术条件》等），因此，国家涂料质量监督检验中心针对上述试验结果评价认为：“从本中心历年来对各类涂料耐盐雾试验的检验结果看，盐雾试验做到3 000 h漆膜不破坏的产品已不多见，说明该配套体系的耐盐雾性能与国内同类产品相比性能优异”。

因而在国内外钢结构工程中被广泛采用，受到防腐界的普遍好评。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对防腐蚀提出了更高的要求，既要提高长效保护的周期（如有的工程要求20 年或更长），又要安全、健康，符合环境保护的最新要求；既要美化环境，又要讲究成本和效益。在这方面，除了各种新型重防腐涂料的研究和开发外，近几年来在聚硅氧烷涂料和氟涂料作为聚氨酯涂料的更新换代产品方面进行了大量的研究。如关于聚硅氧烷方面，据资料报道，在2002 年申请的专利占全部涂料专利的5%。

2.2 氟碳涂料

20 世纪90 年代，日本较多使用氟碳涂料作为钢结构桥梁防护涂层的面漆并取得成功。例如1999 年建成的明石海峡大桥（跨度1 990 m 悬索桥）、多多罗大桥（跨度890 m 斜拉桥），其钢梁、钢塔均采用氟碳面漆。

氟原子具有最高的电负性和除氢原子以外的最小的原子半径。因此氟碳聚合物具有极高的稳定性。在氟碳聚合物中，氟原子取代了氢原子，包围在碳链外形成紧密的保护层，使其不易受到外界的侵袭；又因为氟碳聚合物中大量的F—C 键，是一种高键能化学键（460.2 kJ/mol），因此具有优异的保光、保色性、耐候性以及耐热、耐腐蚀、耐化学品、耐沾污、耐摩擦等性能。

目前，用于制漆的氟碳树脂品种有十几种，老人牌氟碳面漆555CN 是采用氟乙烯-烃基乙烯基醚共聚物（FEVE）为主要成膜物质的新型氟碳树脂涂料。FEVE是一种由氟烯烃结构单元与不同的烃基乙烯基醚结构单元交替排列而成的非晶态聚合物。市场上常见品种有日本旭硝子公司的聚三氟乙烯和大金公司的聚四氟乙烯2 种。其分子结构和性能见图1。

老人牌氟碳面漆555CN 是一种双组分、常温固化型新型氟碳涂料，具有超强的保光保色性和耐候性、附着力强、表面能低、抗沾污耐洗刷等性能，并且具有可清洗、雨雪自洁的特点。最低成膜温度为-10 ℃。

根据HG/T 3792—2005《交联型氟树脂涂料》标准规定溶剂可溶物氟含量不小于18%，否则漆膜性能将大为下降。但是，由于氟碳树脂只有在含氟的溶剂中才能较好地溶解，要生产低VOC 含量的产品有一定难度，同时它的反应物可能仍然含有异氰酸酯，所以在环境友好和健康以及施工性能等方面还需要进一步改进。而聚硅氧烷涂料在各种大型工业环境中的应用，显得更为合理和环保。

2.3 聚硅氧烷涂料

利用有机-无机混接技术，使2 种材料形成共享一个化学键的聚合体网络，是聚硅氧烷的主要化学反应。混接技术主要有4 个方面：有机基体、无机基体、互穿网络和接枝。通过混接技术，聚硅氧烷涂料实现了将有机物的最佳特性（如容易加工、绕性、韧性、光泽和气温固化）和无机物的最佳特性（惰性、硬度、附着力和抗化学性，耐高温、耐候、耐紫外线和耐磨性）有机地结合在一起。

常见品种有脂肪族环氧改性聚硅氧烷、丙烯酸改性聚硅氧烷、丙烯酸脲烷改性聚硅氧烷、硅溶胶混接物及有机硅溶胶等。目前国内市场上主要是前两者。环氧聚硅氧烷涂料固化机理见图2。

认为环氧聚硅氧烷将环氧树脂强大的黏结力和防腐性与硅氧烷突出的保光保色性巧妙地结合于一体，达到“强强联合”的效果，更符合重防腐领域的需要；而丙烯酸聚硅氧烷，则是丙烯酸树脂与聚硅氧烷两者的保光保色性“叠加效应”，较适合于耐久性要求。但是问题的关键并不在于以什么树脂进行改性，而在于涂料中硅氧烷树脂的配方量，即Si—O 键的含量。

3 二种聚硅氧烷涂料的比较

有人从2 种改性聚硅氧烷投入市场的时间顺序认为丙烯酸改性聚硅氧烷是第二代聚硅氧烷而环氧改性聚硅氧烷是第一代聚硅氧烷，并由此推断丙烯酸聚硅氧烷的性能更好。笔者认为这种推论有待商榷。笔者认为聚硅氧烷涂料优异的性能，在于聚硅氧烷树脂中的Si—O 键和Si—O 键含量。聚硅氧烷面漆中无机聚硅氧烷树脂的含量相对较高，为37％ ~77%。

无机聚硅氧烷树脂与有机环氧树脂或丙烯酸树脂进行反应，使涂层的附着力和内聚力被优化。例如丙烯酸聚硅氧烷面漆大约有63%的无机聚硅氧烷树脂成分被丙烯酸树脂改性。那么，环氧聚硅氧烷面漆与丙烯酸聚硅氧烷面漆的性能是否相同呢？表1 列举了目前国际市场上应用于钢结构防腐的5 种聚硅氧烷面漆，主要由4 家涂料供应商提供。

从耐候性、机械性和耐渗水性几个方面，分析5 种聚硅氧烷面漆的差异。

⑴ 5 种聚硅氧烷面漆加速老化试验（保色性）结果见图3。

结论：环氧聚硅氧烷品种A、环氧聚硅氧烷品种B、丙烯酸聚硅氧烷品种E 三者性能优异且很相似。

⑵ 5 种聚硅氧烷面漆加速老化试验（保光性）结果见图4。

试验结果表明：

低改性的丙烯酸聚硅氧烷面漆E 的保光性最好，其次是环氧聚硅氧烷面漆B，高改性的丙烯酸聚硅氧烷面漆D 的保光性最差，但是比聚氨酯面漆要好。因此，不能一般地断定丙烯酸聚硅氧烷面漆通常会比环氧聚硅氧烷面漆具有更好的或更坏的保光性。关键是硅氧烷树脂的含量。

⑶聚硅氧烷面漆渗水性对比见图5。

试验结果表明：

环氧聚硅氧烷A、环氧聚硅氧烷B 的渗水率均低于丙烯酸聚硅氧烷E 和D，间接表明其防水、防腐性能较优秀。

⑷聚硅氧烷面漆附着力和内聚力

涂膜和基材的附着力以及涂膜自身的内聚力是影响防腐性能的又一个比较重要的指标，聚硅氧烷面漆确实具有高强度的附着力和内聚力，也是一种高强度的耐磨涂料。高强度的Si—O 键以及多数量的氢氧基团，使得涂膜具有良好的附着力。通常，聚硅氧烷面漆的最低的附着力相当于传统的环氧涂料，并且要比脂肪族聚氨酯涂料的附着力高（见表2）。

试验结果表明：环氧聚硅氧烷A、B、C 的拉伸力优于丙烯酸聚硅氧烷D、E。

当然，和聚氨酯涂料比较，最主要的特点是更好的保光保色性和不含异氰酸酯，这就在保护性和安全、健康及环保方面优于聚氨酯涂料。聚硅氧烷杰出的保光保色性来源于Si—O—Si 的键能（446 kJ/mol）比C—C的键能（358 kJ/mol）强度更高，因此需要更高的能量才能把它打开。在实验室按照ASTM G53—93 方法，对聚硅氧烷涂料和聚氨酯涂料进行人工加速老化对比试验结果见图6。

结果显示，聚氨酯涂料在2 000 h 尚能保持原始光泽的75%，到4 500 h 光泽只剩下原来的10%左右，而聚硅氧烷涂料在4 500 h 光泽可保持到原始光泽的75%，8 000 h 光泽仍可达原来的45%左右。国家涂料质量监督检验中心对老人牌聚硅氧烷配套涂层（老人牌无机富锌底漆/环氧云铁中间漆/聚硅氧烷面漆）进行耐候性和防腐性检测，结果如下：

●人工加速老化试验（GB/T 1865）：按GB/T 1766评定，6 000 h 0 级、9 000 h 1 级、9 300 h 2 级；

●耐盐雾试验（GB/T 1771）：按GB/T 1740 评定，1 000 h 漆膜无变化，1 级。

老人牌聚硅氧烷涂料55000 是由脂肪族环氧、丙烯酸脲烷与硅氧烷三者混接的环氧聚硅氧烷涂料，具有高固体分（85%）和低VOC（160 g/L）以及高光泽的特性和非常优异的制漆性能、耐候、保光保色性及耐化学品性。其它生产和供应聚硅氧烷涂料的还有阿麦隆（Ameron）的PSX700；阿克苏/国际（Akzo/International）的Interfine 979，佐敦（Jotun）的Jotacote PSO 等。

4 三种面漆性能的比较

以老人牌聚氨酯、氟碳、聚硅氧烷3 种涂料产品为例，主要物理参数和漆膜性能对比见表3。

从近年来我国大型重防腐涂装工程实践分析：双组分丙烯酸聚氨酯面漆以其优异的性价比，在桥梁、风机、水电、火电、石化装置、大型油库、海洋工程、民用机械等领域得到广泛应用，积累了丰富的施工经验。笔者认为聚氨酯涂料仍将在重防腐涂装中唱主角。关于氟碳涂料，2005 年颁布了HG/T 3792—2005《交联型氟树脂涂料》标准，规定溶剂可溶物氟含量不小于18%，一般国家重点工程项目常提高至不小于24%。但在实践中个别企业以较少的氟含量充当氟涂料，显然达不到氟碳涂料的高性能。另外当前氟碳涂料面临2 个问题：

⑴低固含量、高VOC，不符合环保要求，提高固体含量或开发水性氟树脂是当务之急；

⑵严格涂装工艺，不断改善施工性能十分重要。

这一点很可能是造成某些著名工程采用氟碳面漆不到1 年就出现漆膜损坏而不得不提前大修的原因。聚硅氧烷涂料以其高固含量、低VOC 而较为环境友好，因其Si—O 键与F—C 键键能均较高，同样表现出优异的性能，在欧美得到重视。国内有些重点工程如首都T-3 航站楼大型钢结构等，采用聚硅氧烷涂料并取得成功。当前应加大宣传和推广力度，并尽快制定国家和行业标准。