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摘要：幾十年來，工程涂料一直被用來保護鋼材免受腐蝕。人們制作了許多配方，并對其防腐蝕能力進行了測試。配方的變化將包括不同的樹脂、顏料、溶劑和添加劑。在本文中，我們將談論三種特定的顏料，它們通常也被稱為增強型顏料。這些增強型顏料是云母氧化鐵、鋁片和玻璃鱗片。這些填料用于高性能涂料時，將改善各種性能特性，包括涂膜強度、柔韌性、抗滲透性、耐溫性、耐磨性、邊緣成膜性、陰極保護、耐化學性和耐腐蝕性。

介紹：增強型顏料對大多數著色涂料的性能有著深遠的影響，而且在大多數情況下，從抗腐蝕性的角度來看，增強型顏料遠比常規著色顏料更重要。這些顏料大多是無機的、相對惰性的材料，因此可以用于抗腐蝕涂料產品。增強型顏料有許多不同的粒徑和形狀，包括球狀、針狀、纖維狀和片狀。本文討論的顏料是云母氧化鐵、鋁片和玻璃鱗片。這些顏料的形狀都是以薄片狀或片狀的形式存在。它們的層狀形狀是提高涂層物理性能和改善涂層整體性能的關鍵。

云母氧化鐵 MICACEOUS IRON OXIDE

云母氧化鐵（MIO）是氧化鐵（Fe₂O₃）的結晶形式（圖1）。它來自鐵礦石，在世界不同的地方（澳大利亞、奧地利、土耳其、摩洛哥和美國）都有開采。它不溶于水、有機溶劑和堿性物質，在高溫下只略微溶于強酸。它對大多數化學品沒有反應，并且在熔點約為1500℃（2700℉）時具有熱穩定性。具有無毒、不氧化、不腐蝕和不易燃的的特性。添加到涂料中的MIO將提高許多物理和性能的特性。

圖1 – MIO層狀結構的電子掃描顯微鏡（SEM）照片

涂膜增強 

MIO增強了粘合劑基體。涂層中較高的徑長比（片狀顆粒直徑與片狀厚度之比）以及MIO薄片的平面排列可增韌和增強涂層。這種增強提高了涂膜的機械性能并降低了涂膜內部應力。

耐熱性和散熱性

MIO具有非常好的熱穩定性。它可以處理超過1000oC的溫度。MIO涂料的高顏料體積濃度（PVC）比和涂料中50微米尺寸的層狀形式顏料碎片，使人們能夠生產出一種具有散熱功能的涂料。這種涂料的熱發射率接近中等厚度涂料的熱發射率。

屏蔽性和抗起泡性

合適的MIO顏料為片狀。這種片狀顆粒會平行于表面排列并相互重疊，形成對基材的提供屏蔽效果（圖2）。這個理論簡單地說就是："屏蔽越好，耐腐蝕性就越好"。MIO在涂料中的配制方式會影響涂料的屏蔽性能。在配方中使用的其他填充顏料的選擇也是如此。一種具有適度PVC的環氧涂料可能具有良好的阻隔特性，但同樣的環氧系統在CPVC附近配以較高的PVC，會增加水蒸氣的不透性。增加的不透水性也等于增加了抗水泡性。

圖2 - (左) MIO在基材邊緣的平行排列和（右）片狀MIO顏料與圓形顏料的對比

根據涂層的用途，將決定涂料配方中所需的PVC。

可以說，像MIO這樣扁平的片狀顏料確實可以形成良好的屏蔽涂膜，阻止了外部水分的滲透。我們確實也認識到，所有的涂膜都會有一些水分滲透。MIO片狀結構的關鍵是它允許水蒸氣滲透進入，但也允許水蒸氣從涂膜中消散出來。由于能夠讓水汽滲透出涂膜，因此，MIO著色的涂層可以防止水泡的形成。

屏蔽效應和降低粉化

紫外線（UV）的滲透僅限于涂膜最上層的MIO薄片。環氧樹脂涂層會因粘結劑的紫外線降解而粉化；但MIO的加入會延緩和防止額外的粉化發生。這以及一定程度的熱反射將延長環氧涂層系統的使用壽命。

耐化學性

MIO被用于化學品和水下服務的襯里中。在最佳的顏料體積濃度下，顏料層形成一個堅韌的片狀基質，作為一個有效的屏蔽層。配方設計師需要通過實驗找到MIO和填充顏料的最佳組合，以獲得適合其儲罐使用的最佳涂膜性能。

提高涂層間的附著力

用環氧樹脂和MIO配制的涂料具有更好的涂層間附著力。在涂層中充分加入MIO，在風化后，會產生一個具有優良物理特性的表面，使后續的涂層能夠附著在上面。

供應MIO

MIO的供應會因為鐵礦的位置和提煉MIO的過程而在質量上有所不同。美國材料與試驗協會ASTM 顏料規范D01.31小組委員會于1994年制定了一項標準。該標準以固定名稱ASTM D5532-94發布。D5532標準將MIO的組成和特性定義為I型和II型。

產品性能

使用MIO的產品性能取決于許多因素。首先，最重要的是MIO的質量。使用適當的等級是最重要的。在美國，I型MIO是最高等級的質量。將MIO的大小與預期的涂膜結構相匹配。配方設計師需要注意適當的顏料加載量或PVC和添加的其它填充顏料。PVC可以在25%到60%之間，這取決于粘合劑和涂料的用途。MIO這個PVC比其他填充顏料，如鋁片和滑石粉要高。請記住，配方中的CPVC隨所用的顏料、其密度和對油的吸附性而變化，并在一定程度上與樹脂類型有關。2所用MIO的PVC將決定涂層的用途。

片狀MIO涂料的典型用途

下圖是MIO片狀強化涂層在各行業的典型應用概況。

鋁片 ALUMINUM FLAKE

鋁顏料是由99.3%的純鋁制成。鋁顏料擁有許多與其金屬本身相同的特性。其中包括抗腐蝕、光反射、延展性，以及單個顆粒的獨特層狀幾何結構。有兩種類型的鋁顏料，葉片狀和非葉片狀。呈葉片狀是在涂料研磨過程中所用脂肪酸潤滑劑的一個功能。這種酸（通常是硬脂酸）被吸附在表面上，具有疏水和疏油特性。葉片狀顏料會向涂膜表面移動，形成一個鋁顏料的堆疊層。這將獲得一個發亮的、銀色的表面。而非浮型鋁顏料傾向于均勻地分布在涂膜中。讓我們更仔細地看一下葉片狀鋁顏料給涂層帶來的特性。

光反射率

鋁顏料提供了一個高度反射的金屬表面，對所有波長的紫外線都是不透明的。通過這種方式，鋁顏料著色涂膜能夠在輻射能量進入并攻擊粘合劑之前反射掉所有的輻射能量。這種反射特性使鋁片填充涂料與其他顏色填充的涂料相比，能夠非常有效地在陽光直射下維持金屬基材的較低溫度狀態。這是因為金屬表面對紅外輻射的反射就像對紫外線輻射的反射一樣。這就是為什么鋁片通常被用于許多屋頂涂料。像這樣的屋頂涂料可以降低室內溫度達14oF。 這種在夏季反射熱量的能力，特別是在溫暖的氣候條件下，除了節能之外，還有許多其它的好處和用途。

屏蔽保護

鋁片是扁平的，呈層片狀的。這些片狀的鋁片平行于表面排列并相互重疊，形成一個有效的屏蔽層，防止水分、氧氣和熱量的滲透。形成的不可滲透的屏蔽層將通過減少氧氣和水分的滲透來提高涂層的抗腐蝕能力。氧氣滲透性的減少可能是在銹蝕表面上成功使用厚漿型鋁著色環氧乳香漆的主要因素。屏障特性的另一個好處是應用于生產密封劑或殺污劑。當作為中間層使用時，鋁的屏蔽層能有效地阻止所有的顏色遷移和滲色現象。

低輻射率

輻射率是衡量表面輻射熱量的能力。著色涂膜的輻射率值通常為0.9（一種完美的散熱黑體，其輻射率值為90%）。優化的鋁著色油漆配方具有更低的熱輻射率值（約為0.15）。這一特性使得鋁著色油漆在減少烘爐、烤箱、鍋爐和煙囪的熱損失方面最具價值，從而提高了該設備的效率，同時減少了周圍環境的熱量積聚。鋁片可以保護涂層載體和基材免受紫外線輻射和紅外增熱的降解作用。(圖3)

圖3 - 鋁片增強了涂層對紫外線和紅外線熱輻射的反射率

耐溫性

鋁顏料在暴露時將在表面形成鋁的氧化物。這使得表面在pH值為4.5至8.5的環境中能夠阻止進一步的氧化。這使得鋁顏料在高達649oC的高溫涂層中保持其有效性。一個很好的應用是將鋁顏料與硅基涂料相結合，形成一個非常有效的高溫涂料。

陰極保護

下圖（圖4）顯示了未填充的環氧樹脂乳香漆涂層的陰極剝離率與同樣的環氧樹脂乳香漆在5%和10%的鋁片填充量下的陰極剝離率的差異。測試采用了連續性更換的天然海水，溫度為8到13oC，涂層漏涂處陰極極化至約–1050mV SCE。結果顯示，未填充的涂層在兩年后出現了約65毫米的剝離，5%的鋁顏料剝離了20毫米，10%的鋁顏料剝離了約3毫米。這項研究表明，隨著鋁片加載量的增加，屏蔽機制也在增加，從而影響陰極剝離程度。進一步的測試發現，鋁顏料填充的涂層在直接涂覆于鋼基底上時效果更好。這表明除了屏蔽作用之外，鋁顏料對陰極剝離也有額外的改善作用。有人認為，與顏料表面氧化物的緩沖反應可能會減少陰極剝離。

圖4 - 不同鋁片顏料濃度的環氧樹脂乳香漆涂層的陰極剝離結果。(在46-55oF的更換海水中，電壓為-1.5V)

鋁片在用于涂料時具有良好的優勢。找到合適的鋁片非常重要。片狀鋁是抗腐蝕的最佳類型。浮型鋁片又分為粗、中、細三個等級。粗粒級提供明亮、高反射、相當堅韌的紋理涂層，用于屋頂涂料和其他應用。中等品級具有更平滑的紋理、更高的光澤度以及更大的覆蓋范圍；但是，其總反射率或亮度沒有那么高。通常情況下，這些等級用于常規的工業、貿易銷售和高性能維護涂料。精細等級可以提供最高的光澤度，可以達到鏡面的效果。它們通常用于氣霧劑、墨水和特殊飾面。

玻璃鱗片 GLASS FLAKE

玻璃纖維增強涂料的主要用途最初僅限于腐蝕性浸泡服務中的重防腐儲罐襯里或混凝土地坪。由于美國和其他工業化國家對環境問題的日益關注，對于儲罐或容器周圍以及化學加工區域的二次安全圍護和蒸汽回收系統的要求，以控制溢出或泄漏，加強了玻璃增強涂料的規格和使用。涂料中常用的加固玻璃有兩種類型：片狀玻璃加固和玻璃纖維加固。片狀玻璃增強涂料和玻璃纖維增強涂料的主要區別在于，鱗片玻璃在工廠批量生產過程中添加到涂料中的，玻璃纖維增強涂層是將玻璃纖維與液體涂料或樹脂的施工分開，在現場完成涂覆。溫度、化學物質和任何沖擊/磨損的暴露條件將決定指定的加固類型以及使用的涂料或樹脂類型。玻璃鱗片加固通常用于乙烯基酯、聚酯、環氧樹脂、酚醛樹脂以及丙烯酸和工程熱塑性塑料。本文將討論玻璃鱗片性能和涂層性能的提高，如：水汽傳輸、陰極保護、收縮應力和熱膨脹系數、耐化學性和耐磨性。最后，總結玻璃鱗片填充涂料在各個行業中的典型應用。。

PROPERTIES

玻璃鱗片是由硼硅酸鹽玻璃制造出來的，主要是二氧化硅（SiO₂）和石英硅作為原料。商業上提供的玻璃鱗片的尺寸范圍為0.8 - 9.5微米厚，和10 – 4000微米寬。有一家玻璃鱗片生產商提供了各種厚度的玻璃鱗片和三種粒徑范圍的玻璃鱗片（圖5）。

圖5 - 商業上可用的玻璃鱗片尺寸

在微觀尺寸的可用性方面，玻璃鱗片與云母氧化鐵和鋁片相似，被認為是一種 "高的徑長比 "的片狀增強型顏料；也就是說，非常扁平，非常薄，就更層板一樣。徑長比是標稱薄片厚度與標稱平面直徑之比的標稱值。相比之下，薄紙盤的徑長比會很高，而棒球的徑長比會很低。

下圖是玻璃鱗片顆粒的顯微鏡視圖（圖6）。

圖6 - 玻璃鱗片的顯微視圖

玻璃鱗片生產商一直在生產一種改良的 "C "玻璃，（又稱 "C "級面罩或ECR - 超耐腐蝕性），從而提高涂層的耐化學性。”C "級玻璃鱗片的pH值被中和，這種惰性使其與液體涂料有更好的兼容性。此外，玻璃鱗片生產商還提供有一系列表面預處理的玻璃鱗片，以適應不同類型的樹脂。這些玻璃鱗片表面預處理由各種有機硅烷偶聯劑組成。這使得玻璃鱗片的表面和周圍的涂料或樹脂基體之間能夠產生化學性結合的功能。從改性“C”玻璃生產玻璃鱗片提高了涂層樹脂的潤濕能力，并結合適當的有機硅烷預處理提高了鱗片對樹脂的附著力。其結果是提高了以下涂層的性能。

水汽傳輸

關于濕氣傳輸，玻璃鱗片在涂層或樹脂系統中的有效性取決于以下兩個變量：

· 

薄片厚度 - 這決定了在給定的涂膜厚度中可以實現的玻璃鱗片層的數量。

· 

· 

薄片的直徑 – 粒徑的直徑將決定水分子到達后續玻璃鱗片層所需的橫向距離。

· 

由于玻璃鱗片在涂層中具有均勻一致的標稱厚度和粒徑，這將使片狀鱗片在整個涂層干膜中實現更好的填充和葉狀排列。一種更加均勻的增強涂膜，如果顯著增加了水到達基材所必須經過的路徑距離，這將顯著減少水汽的滲透率。下圖（圖7）顯示了乙烯基酯樹脂中，隨著鱗片含量比率的增加，涂層的吸水性和蒸汽滲透性的顯著下降。

圖7 – MVT（水汽傳輸）和吸水率與玻璃鱗片含量的關系

陰極保護

除了顯著降低涂層中的水汽透過率和吸水率外，添加玻璃鱗片還將使儲罐、處理容器和埋地管道中常用的外加電流陰極保護系統具有非常好的性能。具有 "C "級成分的玻璃鱗片，還提供了有機硅烷偶聯劑的預處理，增加了與特定涂層樹脂的潤濕和化學性結合，并提高了耐陰極剝離性能。下面（圖8）顯示了未填充的環氧樹脂乳香漆涂層與含有10%和20%玻璃鱗片的相同環氧樹脂乳香漆的陰極破壞率的差異。

圖8 - 不同玻璃鱗片濃度的環氧樹脂乳香漆涂層的陰極剝離

收縮應力和熱膨脹系數

用于重防腐襯里和二級圍護服務的樹脂，如聚酯和乙烯基酯，在固化過程中會發生高收縮并放熱(即釋放熱量)。固化后，它們會變成堅硬的脆性涂層，當被置于應力下時，特別是在非常低的工作溫度下，會出現開裂或剝離。由于上述樹脂具有較高的熱膨脹系數，因此存在捕獲這種拉伸應變的條件。除了增強涂層屏蔽性能外，玻璃鱗片增強還可以降低與涂層固化和熱沖擊或熱循環相關的收縮應力。這是因為玻璃鱗片增強在以正確的加載率使用時，能夠降低涂層固化收縮應力，同時也可以將這些涂層的高熱膨脹系數降低到更接近混凝土或鋼材的范圍。

耐化學性和耐磨性

由于其固有的片狀形態（即板狀結構），玻璃鱗片具有優良的屏蔽性能和獨特的各向同性機械強化作用。各向同性是指在所有方向上都是相同性的。玻璃鱗片顏料在整個涂層或樹脂基體中賦予各向同性的機械性能，從而提供多向的增強作用。最后，選擇適合指定涂料類型、厚度和施工方法的玻璃鱗片尺寸，以及涂層中玻璃鱗片比例的變量，將提高涂層的耐化學性和耐磨性。

玻璃鱗片填充涂層的典型用途

下圖是玻璃鱗片增強涂層在各行業的典型應用概況。

結論 CONCLUSION

本文回顧了三種類型的增強型顏料以及在高性能涂料中使用它們的好處。云母氧化鐵（MIO）、鋁片和玻璃鱗片都是增強型顏料，當它們用于高性能涂料時，將提高其性能特性。這些顏料的關鍵特征是它們的片狀形狀。這種形狀允許在涂膜中定向，從而改善涂層的各種性能。MIO顏料將改善屏蔽性能，提高涂層間的附著性、熱穩定性和耐化學性。鋁片顏料將改善屏蔽性能、熱和光反射率、溫度穩定性、陰極保護和濕氣屏蔽。添加到高性能涂料中的玻璃鱗片將改善屏蔽性能、收縮應力、熱膨脹系數、陰極保護和減少濕氣傳輸。