張紅田

（新疆八鋼鋼管有限責(zé)任公司）

1 前言

高速公路用波形梁鋼護(hù)欄（簡稱護(hù)欄板）的防腐涂層種類多樣，新疆區(qū)域市場主要采用熱鍍鋅+靜電噴塑涂層。靜電噴涂一般采用聚酯粉末。聚酯靜電噴涂工藝是利用一定電場強(qiáng)度的電暈放電及空氣動力作用，使粉末涂料粒子荷電或極化而吸附于工件表面的涂裝方法。在熱鍍鋅涂層上進(jìn)行靜電噴涂，可以提供附加的保護(hù)，同時(shí)可以提高裝飾性，并起到一定的警示作用。這種在熱浸鋅表面進(jìn)行涂裝形成的保護(hù)層通常被稱為雙層防護(hù)體系。護(hù)欄板是高速公路重要的維護(hù)和安全保障設(shè)施，采用雙防護(hù)體系，護(hù)欄板應(yīng)用在重污染地區(qū)特別是酸雨地區(qū)起到較好的防腐效果，可延長使用年限。隨著環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，靜電噴涂涂層作為常規(guī)溶劑型聚合物涂層的替代品，具有低污染、附著力強(qiáng)的特點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注。相對于溶劑型涂層，粉末涂層有很好的附著性；因?yàn)闆]有后期的溶劑揮發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)一次厚涂，粉末涂層的孔隙率也較少。

由于熱鍍鋅鋅層的直接涂裝性較差，通常使用轉(zhuǎn)化膜來增強(qiáng)鋅層與靜電涂層的結(jié)合力。因此，要達(dá)到涂層均勻，首先先要保證底層鍍鋅層的均勻性，其次是獲得良好的鋅層-噴鍍層附著力，最后是確保粉末噴涂層的均勻性。

2 鍍鋅層均勻性控制方法

熱鍍鋅鍍層的均勻性是噴塑均勻性的基礎(chǔ)，因此，確定合適的熱鍍鋅工藝參數(shù)才能保證鋅層厚度的均勻。

2.1 鋅液化學(xué)成分控制

在鋅液中鋁對熱鍍鋅的影響最大。鋅液中鋁的含量對合金層的結(jié)構(gòu)和純鋅層的光亮度均有顯著影響。鋁可以抑制鐵鋅合金層的形成，鋁對鐵比鋅對鐵有較強(qiáng)的熱力學(xué)親合性。當(dāng)護(hù)欄板浸入到鋅液中后，鋁便在鐵基表面形成一種鋁鐵中間層，它阻止了鐵和鋅之間的擴(kuò)散。這種阻止不是長期的，隨著浸鋅時(shí)間的延長，鋁鐵中間層會逐漸溶解，鋅鐵合金層開始形成[1]。

鋁含量＜0.5%時(shí)，隨著鋁含量的增加，鋅液的流動性降低；鋁含量在0.5%～4.5%時(shí)，隨著鋁含量的增加，鋅液的流動性增強(qiáng)。通常鋅錠中的鋁含量在0.12%～0.15%，所以加鋁會使鋅液的粘度降低，純鋅層增厚。這有利于改善鋅層的韌性。

鋅液中含有適當(dāng)?shù)匿X會改善護(hù)欄板鍍鋅層的表面光澤，如果能形成完整的鋁鐵中間層，還能增加鋅層的結(jié)合力。由于鋁同氧的親合力大，容易在鋅液表面形成一個(gè)粘附層影響鍍鋅過程，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致大面積漏鍍。

2.2 吹拭方式的改進(jìn)

目前常用的吹拭方式主要有飽和蒸汽吹拭、壓縮空氣吹拭、電磁抹拭。按產(chǎn)品種類又可分為護(hù)欄板立柱管內(nèi)壁抹拭、外壁抹拭和護(hù)欄板表面抹拭。

飽和蒸汽吹拭法需要用飽和蒸汽。蒸汽溫度100～150℃、壓力0.7～0.9MPa。壓縮空氣吹拭法一般配置15m3/h空壓機(jī)，工作壓力0.6～0.8MPa。這兩種抹拭方式各有優(yōu)劣，蒸汽吹拭時(shí)溫度較高，殘留在鍍件表面的鋅液冷卻速度較慢，可獲得較薄的鋅層厚度，且表面質(zhì)量較好，但成本較高；壓縮空氣吹拭能耗較低，成本較低，但因空氣與鍍件溫差較大、冷卻快，鋅層厚度較厚?？筛鶕?jù)實(shí)際情況靈活選擇。

電磁抹拭是一新的種抹拭工藝，但在國內(nèi)應(yīng)用的實(shí)例不多。其原理是通過電磁力對鍍件表面的鋅層進(jìn)行控制，并要通惰性氣體保護(hù)。這種抹拭方式比常規(guī)方式約可節(jié)鋅25%，鋅層重量波動約在10%，但設(shè)備價(jià)格昂貴，運(yùn)行效果有待實(shí)際規(guī)?；a(chǎn)的驗(yàn)證。

結(jié)合國內(nèi)同行業(yè)相同或相近設(shè)備的實(shí)際情況，從八鋼鋼管廠設(shè)備狀況和產(chǎn)品技術(shù)等級要求，采用蒸汽或壓縮空氣抹拭是比較合適的。

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，立柱管外壁抹拭和護(hù)欄板表面抹拭采用壓縮空氣，壓力0.6～0.8MPa，因?yàn)榇藭r(shí)鍍件剛離開鋅鍋，壓縮空氣吹拭時(shí)的溫降不明顯；立柱管內(nèi)壁抹拭采用蒸汽，壓力0.6～0.9MPa，因?yàn)榇藭r(shí)鍍件已離開鋅鍋一段時(shí)間，高溫蒸汽對緩解溫降有利。同時(shí)改進(jìn)了立柱管內(nèi)吹環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，由點(diǎn)狀改為環(huán)狀，使其吹拭力分布更加均勻，如圖1和圖2所示。

圖1 改進(jìn)前的點(diǎn)狀內(nèi)吹裝置

圖2 改進(jìn)后的環(huán)狀內(nèi)吹裝置

2.3 熱鍍鋅工藝參數(shù)的確定

經(jīng)過試驗(yàn)測定，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，八鋼鋼管廠最終形成了完整的熱鍍鋅工藝參數(shù)。關(guān)鍵是精確確定鋅液中的鋁含量、完善內(nèi)吹裝置，同時(shí)對酸洗、助鍍和烘干工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此參數(shù)下進(jìn)行熱鍍鋅生產(chǎn)，鋅層厚度在39～50μm，平均鋅層厚度45μm，鋅層散差值小于11μm。

（1）酸洗工藝參數(shù)。鹽酸濃度4%～15%，室溫，酸洗時(shí)間約10min，亞鐵鹽濃度≤200g/L。

（2）助鍍工藝參數(shù)。采用氯化氨和氯化鋅混合溶劑，重量比為ZnCl2：NH4Cl＝1：2；濃度8%～12%，pH值4～5；助鍍液溫度60℃～80℃，時(shí)間2～3min；亞鐵鹽濃度≤10g/L；烘干溫度100℃～150℃，時(shí)間2-3min。

（3）熱鍍鋅工藝參數(shù)。熱鍍鋅護(hù)欄板時(shí)選取的溫度為445℃～450℃；熱鍍鋅浸鋅時(shí)間約12.5s；鋅液中添加適量的鋁，鋁含量0.40%～0.45%；鋅鍋鍋體采用08F鋼板制作，厚度50mm；立柱管外壁和護(hù)欄板表面抹拭采用壓縮空氣，壓力0.6～0.8MPa，立柱管內(nèi)壁抹拭采用飽和蒸汽，壓力0.6～0.9MPa。

3 電涂層均勻性的控制方法

影響靜電涂層均勻性的主要因素有：前處理工藝、噴槍配置、涂層粉末成分和粒徑以及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝參數(shù)等。

3.1 前處理工藝

熱鍍鋅后的護(hù)欄板須經(jīng)表面前處理后才能進(jìn)行靜電噴塑，其目的是使塑層與基體金屬層緊密結(jié)合，形成牢固的結(jié)合面，以達(dá)到更好的使用效果。通常采用磷化處理。磷化是一種常用的金屬表面處理工藝，在磷化液的化學(xué)和電化學(xué)作用下，形成一層磷酸鹽薄膜，這層薄膜的微觀組織呈多孔隙狀，可在后續(xù)的噴塑過程中使塑粉附著在孔隙中，從而使金屬基體與塑粉之間的結(jié)合面積擴(kuò)大，起到良好的附著效果。

一般靜電噴塑的磷化膜應(yīng)具有以下性能：（1）與金屬基體具有一定結(jié)合強(qiáng)度，不會在高溫狀態(tài)下被破壞；（2）具有足夠的塑性，且與金屬基體塑性接近，能始終附著在基體表面；（3）具有一定的防銹性能，無其它有害影響；（4）對表面殘余酸液具有中和作用。

一般用磁性測厚儀測定磷化膜厚度，也可通過磷化膜的膜重來粗估其厚度值，磷化膜厚度和膜重的換算關(guān)系見表1。

表1 磷化膜厚度和膜重的對應(yīng)關(guān)系

選取的磷化工藝流程為：鹽酸洗→水漂洗→磷化→水洗→烘干。

實(shí)際生產(chǎn)中選擇室溫-中溫磷化工藝，得出磷化液優(yōu)化配方參數(shù)，具體如表2。

表2 磷化液優(yōu)化配方參數(shù)表

總酸度測定方法：取磷化液10ml置于250ml燒杯中加入酚酞指示劑3～5滴，然后以0.1N NaOH溶液滴定之液色由無色變至粉紅色為終止點(diǎn)，所滴定毫升數(shù)即為總酸度。

3.2 涂層材料選擇和噴涂工藝

護(hù)欄板一般采用聚酯涂層材料。聚酯涂層不僅具有較好的屈撓性和彈性，而且還具有較好的抗沖擊性、耐擦傷性、耐污染性和抗涂層老化性。

為了更好地滿足護(hù)欄板使用條件，需要調(diào)整粉末聚酯涂料的各種技術(shù)參數(shù)，例如固化速度、熔融黏度、遮蓋力、上粉率、邊角覆蓋力等。其中粉末涂料的邊角覆蓋力對于涂層的均勻性是最重要的技術(shù)參數(shù)，因此改善涂層邊角覆蓋力是塑層均勻的重要方法。

影響涂料邊角覆蓋力的主要原因有：一是由于粉粒被電場強(qiáng)力地推向法拉第籠的邊緣，因而只有很少的粉粒有機(jī)會進(jìn)入凹陷部位，二是由電暈放電產(chǎn)生的自由粒子會沿電力線走向工件的邊緣處，使已有的涂層迅速被多余的電荷所飽和，以致反向離子化十分強(qiáng)烈，形成凹槽真空，內(nèi)部不帶電，無法沉積粉末粒子，所以死角上粉難。提高邊角塑粉覆蓋力，主要通過優(yōu)化塑粉成分來實(shí)現(xiàn)，其中的主要指標(biāo)是粉末成分和各組分粒度。

3.2.1 涂層粉末成分優(yōu)化

聚酯粉末涂料一般由聚酯樹脂、E-12樹脂、流平劑、光亮劑、安息香、金紅石鈦白粉、沉淀硫酸鋇、促進(jìn)劑、氣相二氧化硅（或氣相氧化鋁、納米碳酸鈣）、2-甲基咪唑、填料等成分組成。根據(jù)粉末涂料生產(chǎn)廠家提供的配方，八鋼鋼管廠結(jié)合新疆及周邊區(qū)域四季和晝夜溫差大、紫外線強(qiáng)烈、風(fēng)沙較大等特點(diǎn)，對其配方進(jìn)行了優(yōu)化。

2-甲基咪唑用量的增加，涂層的外觀變差、光澤降低，然而涂層耐沖擊性有變好的傾向。隨著2-甲基咪唑用量的增加，粉末涂料的熔融水平流動性變小，有利于涂層邊角覆蓋力的改進(jìn)。氣相二氧化硅、氣相氧化鋁、納米碳酸鈣等可以作為涂層邊角覆蓋力改性劑使用，其中納米碳酸鈣較為廣泛。且相對于其他材料，碳酸鈣成本較低，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均有較好優(yōu)勢。隨著改進(jìn)劑納米碳酸鈣用量的增加，涂層光澤和耐沖擊性的影響并不明顯，然而對涂層外觀有一定影響，當(dāng)增加到一定量以后涂層橘紋變重。隨著納米碳酸鈣用量的增加，粉末涂料的固化時(shí)間有所變短，而粉末涂料的熔融水平流動性明顯變小，說明調(diào)整配方中納米碳酸鈣的用量可以改進(jìn)粉末涂料的邊角覆蓋力[2]。

在粉末涂料配方中，填料是不可缺少的組成成分，而且用量也比較大。因此其品種和用量的選擇對粉末涂料的技術(shù)指標(biāo)和涂層的性能有很大的影響，其中包括對粉末涂料的固化時(shí)間和流動性的影響。如果選擇合適的填料及用量時(shí)，通過調(diào)整配方中填料的含量可以改進(jìn)粉末涂料的邊角覆蓋力。隨著超細(xì)重晶石粉填料用量的增加，涂層外觀變差，涂層光澤和耐沖擊性沒有明顯的變化，粉末涂料的固化時(shí)間的變化也很小，然而粉末涂料的熔融水平流動性的變化明顯，隨著超細(xì)重晶石粉用量的增加粉末涂料的熔融水平流動性變小，可以通過適當(dāng)增加填料用量改進(jìn)涂層的邊角覆蓋力。

3.2.2 涂層粉末粒徑優(yōu)化

聚酯粉末涂料的組分中大部分都是高絕緣性能材料，一定粒徑粉末粒子一旦帶電就很難消失，且粉末的電阻率也較大。文獻(xiàn)顯示，粉末粒子的帶電量與粉末粒徑的平方成反比，粒徑較粗的粒子帶電強(qiáng)度大，更容易透過法拉第屏蔽效應(yīng)區(qū)域沉積在工件表面，邊角上粉率好；粉末粒徑偏細(xì)則帶電量小，在電場中要克服粉末重力、空氣動力等不利因素影響，邊角上粉困難[3]。

選取10個(gè)不同配方的粉末涂料進(jìn)行了粒度分布與上粉率關(guān)系的試驗(yàn)，其粒度分布參數(shù)均來自粉末提供廠家的產(chǎn)品說明書。試驗(yàn)過程中采取相同型號的噴槍和其他試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同粒度粉末上粉率比較

實(shí)際使用結(jié)果顯示，能較好克服法拉第效應(yīng)促進(jìn)邊角上粉的粒徑宜控制在20～35μm。細(xì)粒徑（≤10μm）控制在7%以下；超細(xì)粉一般不帶電，噴涂過程中主要受空氣流的影響；粗粒徑（≥90μm）控制在3%以下，能夠有效地避免凹槽邊沿的厚涂問題，同時(shí)克服粉末在未達(dá)到工件表面掉落或者粒徑較細(xì)的粉末被吸走等不利因素。編號為10的粉末粒度上粉率最好。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，生產(chǎn)中采用的聚酯粉末要求≤10μm的粒度控制在約5%，≥90μm的粒度控制在約3%。

3.2.3 聚酯涂料配方優(yōu)化

綜合考慮氣候環(huán)境特點(diǎn)和產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，最終確定了聚酯涂料的配方，其主要成分配比見表4?？筛鶕?jù)需求調(diào)整涂料中的調(diào)色顏料種類。

表4 優(yōu)化后的聚酯涂料配方

3.2.4 涂層成分的優(yōu)化

八鋼鋼管廠的實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)量檢測結(jié)果表明：聚酯樹脂盡量選擇在固化溫度下熔融黏度高的聚酯樹脂品種，這樣粉末涂料在固化時(shí)熔融黏度高，涂層的邊角覆蓋力好。

改進(jìn)粉末涂料涂層的邊角覆蓋力，采用的具體方法有：添加合適的固化促進(jìn)劑品種和用量可以調(diào)整粉末涂料的固化時(shí)間，使粉末涂料的熔融水平流動性變??；添加能增加粉末涂料熔融黏度的邊角覆蓋力改性劑，如氣相二氧化硅、納米碳酸鈣等助劑；根據(jù)顏料和填料的吸油量和活性，通過改變填料的品種、用量及配比來調(diào)整粉末涂料的熔融黏度、固化時(shí)間和熔融水平流動性。

3.3 靜電噴涂生產(chǎn)工藝參數(shù)的確定

實(shí)際的噴涂生產(chǎn)過程中，在確定聚酯粉末成分和粒度后，要按照其特性確定合適的噴涂工藝參數(shù)，結(jié)合塑粉的物理和化學(xué)特性以及試用情況，得出了相應(yīng)的噴涂工藝參數(shù)。在此參數(shù)下進(jìn)行生產(chǎn)，塑層厚度在76～109μm，平均塑層厚度89μm。

靜電噴槍工藝參數(shù)：靜電場在控制在－30kV～－60kV，壓縮空氣壓力控制在0.35～0.5MPa，生產(chǎn)現(xiàn)場最佳溫度18～25℃、最佳濕度45%～65%，環(huán)境溫度不得超出12～30℃，相對濕度不得超過80%。

聚酯粉末參數(shù)：從聚酯樹脂考慮，盡量選擇在固化溫度下熔融黏度高的聚酯樹脂品種，這樣粉末涂料在固化時(shí)熔融黏度高，涂層的邊角覆蓋力好；添加合適的固化促進(jìn)劑品種和用量可以調(diào)整粉末涂料的固化時(shí)間，使粉末涂料的熔融水平流動性變小；添加能增加粉末涂料熔融黏度的邊角覆蓋力改性劑，如氣相二氧化硅、納米碳酸鈣等助劑；根據(jù)顏料和填料的吸油量和活性，通過改變填料的品種、用量及配比來調(diào)整粉末涂料的熔融黏度、固化時(shí)間和熔融水平流動性。聚酯粉末中≤10μm的粒度控制在5%，≥90μm的粒度控制在3%。

噴涂生產(chǎn)工藝參數(shù)；預(yù)熱溫度120℃～150℃，速度2.5～3.5m/min，固化溫度200℃～220℃，上料至下料運(yùn)行時(shí)間約70min。

4 結(jié)論

試驗(yàn)研究及生產(chǎn)實(shí)踐表明，要取得涂層均勻的產(chǎn)品，需在保證鋅層均勻的基礎(chǔ)上再使靜電涂層均勻。

（1）優(yōu)化后的控制方法，對于熱鍍鋅+噴塑復(fù)合涂層護(hù)欄板，靜電噴塑層厚度可控制在76～109μm，總涂層厚度可控制在115～170μm。

（2）熱鍍鋅鋅液中加入適量0.40%～0.45%的鋁后護(hù)欄板產(chǎn)品鋅層均勻性改觀明顯，表面光澤度有所提高，生產(chǎn)成本降低。

（3）聚酯粉末的配方和粒徑對護(hù)欄板靜電涂層均勻性有直接影響，優(yōu)化配方和選擇合適的粒徑是關(guān)鍵。

（4）前處理和噴塑工序工藝參數(shù)的確定須反復(fù)驗(yàn)證，最終確定符合實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際的參數(shù)。

按照優(yōu)化調(diào)整后的工藝生產(chǎn)出的護(hù)欄板產(chǎn)品，經(jīng)檢驗(yàn)均符合GB/T 31439.1-2015《波形梁鋼護(hù)欄》的標(biāo)準(zhǔn)要求。