摘要：几十年来，工程涂料一直被用来保护钢材免受腐蚀。人们制作了许多配方，并对其防腐蚀能力进行了测试。配方的变化将包括不同的树脂、颜料、溶剂和添加剂。在本文中，我们将谈论三种特定的颜料，它们通常也被称为增强型颜料。这些增强型颜料是云母氧化铁、铝片和玻璃鳞片。这些填料用于高性能涂料时，将改善各种性能特性，包括涂膜强度、柔韧性、抗渗透性、耐温性、耐磨性、边缘成膜性、阴极保护、耐化学性和耐腐蚀性。

介绍：增强型颜料对大多数着色涂料的性能有着深远的影响，而且在大多数情况下，从抗腐蚀性的角度来看，增强型颜料远比常规着色颜料更重要。这些颜料大多是无机的、相对惰性的材料，因此可以用于抗腐蚀涂料产品。增强型颜料有许多不同的粒径和形状，包括球状、针状、纤维状和片状。本文讨论的颜料是云母氧化铁、铝片和玻璃鳞片。这些颜料的形状都是以薄片状或片状的形式存在。它们的层状形状是提高涂层物理性能和改善涂层整体性能的关键。

云母氧化铁 MICACEOUS IRON OXIDE

云母氧化铁（MIO）是氧化铁（Fe₂O₃）的结晶形式（图1）。它来自铁矿石，在世界不同的地方（澳大利亚、奥地利、土耳其、摩洛哥和美国）都有开采。它不溶于水、有机溶剂和碱性物质，在高温下只略微溶于强酸。它对大多数化学品没有反应，并且在熔点约为1500℃（2700℉）时具有热稳定性。具有无毒、不氧化、不腐蚀和不易燃的的特性。添加到涂料中的MIO将提高许多物理和性能的特性。

图1 – MIO层状结构的电子扫描显微镜（SEM）照片

涂膜增强 

MIO增强了粘合剂基体。涂层中较高的径长比（片状颗粒直径与片状厚度之比）以及MIO薄片的平面排列可增韧和增强涂层。这种增强提高了涂膜的机械性能并降低了涂膜内部应力。

耐热性和散热性

MIO具有非常好的热稳定性。它可以处理超过1000ºC的温度。MIO涂料的高颜料体积浓度（PVC）比和涂料中50微米尺寸的层状形式颜料碎片，使人们能够生产出一种具有散热功能的涂料。这种涂料的热发射率接近中等厚度涂料的热发射率。

屏蔽性和抗起泡性

合适的MIO颜料为片状。这种片状颗粒会平行于表面排列并相互重叠，形成对基材的提供屏蔽效果（图2）。这个理论简单地说就是："屏蔽越好，耐腐蚀性就越好"。MIO在涂料中的配制方式会影响涂料的屏蔽性能。在配方中使用的其他填充颜料的选择也是如此。一种具有适度PVC的环氧涂料可能具有良好的阻隔特性，但同样的环氧系统在CPVC附近配以较高的PVC，会增加水蒸气的不透性。增加的不透水性也等于增加了抗水泡性。

图2 - (左) MIO在基材边缘的平行排列和（右）片状MIO颜料与圆形颜料的对比

根据涂层的用途，将决定涂料配方中所需的PVC。

可以说，像MIO这样扁平的片状颜料确实可以形成良好的屏蔽涂膜，阻止了外部水分的渗透。我们确实也认识到，所有的涂膜都会有一些水分渗透。MIO片状结构的关键是它允许水蒸气渗透进入，但也允许水蒸气从涂膜中消散出来。由于能够让水汽渗透出涂膜，因此，MIO着色的涂层可以防止水泡的形成。

屏蔽效应和降低粉化

紫外线（UV）的渗透仅限于涂膜最上层的MIO薄片。环氧树脂涂层会因粘结剂的紫外线降解而粉化；但MIO的加入会延缓和防止额外的粉化发生。这以及一定程度的热反射将延长环氧涂层系统的使用寿命。

耐化学性

MIO被用于化学品和水下服务的衬里中。在最佳的颜料体积浓度下，颜料层形成一个坚韧的片状基质，作为一个有效的屏蔽层。配方设计师需要通过实验找到MIO和填充颜料的最佳组合，以获得适合其储罐使用的最佳涂膜性能。

提高涂层间的附着力

用环氧树脂和MIO配制的涂料具有更好的涂层间附着力。在涂层中充分加入MIO，在风化后，会产生一个具有优良物理特性的表面，使后续的涂层能够附着在上面。

供应MIO

MIO的供应会因为铁矿的位置和提炼MIO的过程而在质量上有所不同。美国材料与试验协会ASTM 颜料规范D01.31小组委员会于1994年制定了一项标准。该标准以固定名称ASTM D5532-94发布。D5532标准将MIO的组成和特性定义为I型和II型。

产品性能

使用MIO的产品性能取决于许多因素。首先，最重要的是MIO的质量。使用适当的等级是最重要的。在美国，I型MIO是最高等级的质量。将MIO的大小与预期的涂膜结构相匹配。配方设计师需要注意适当的颜料加载量或PVC和添加的其它填充颜料。PVC可以在25%到60%之间，这取决于粘合剂和涂料的用途。MIO这个PVC比其他填充颜料，如铝片和滑石粉要高。请记住，配方中的CPVC随所用的颜料、其密度和对油的吸附性而变化，并在一定程度上与树脂类型有关。2所用MIO的PVC将决定涂层的用途。

片状MIO涂料的典型用途

下图是MIO片状强化涂层在各行业的典型应用概况。

铝片 ALUMINUM FLAKE

铝颜料是由99.3%的纯铝制成。铝颜料拥有许多与其金属本身相同的特性。其中包括抗腐蚀、光反射、延展性，以及单个颗粒的独特层状几何结构。有两种类型的铝颜料，叶片状和非叶片状。呈叶片状是在涂料研磨过程中所用脂肪酸润滑剂的一个功能。这种酸（通常是硬脂酸）被吸附在表面上，具有疏水和疏油特性。叶片状颜料会向涂膜表面移动，形成一个铝颜料的堆叠层。这将获得一个发亮的、银色的表面。而非浮型铝颜料倾向于均匀地分布在涂膜中。让我们更仔细地看一下叶片状铝颜料给涂层带来的特性。

光反射率

铝颜料提供了一个高度反射的金属表面，对所有波长的紫外线都是不透明的。通过这种方式，铝颜料着色涂膜能够在辐射能量进入并攻击粘合剂之前反射掉所有的辐射能量。这种反射特性使铝片填充涂料与其他颜色填充的涂料相比，能够非常有效地在阳光直射下维持金属基材的较低温度状态。这是因为金属表面对红外辐射的反射就像对紫外线辐射的反射一样。这就是为什么铝片通常被用于许多屋顶涂料。像这样的屋顶涂料可以降低室内温度达14ºF。 这种在夏季反射热量的能力，特别是在温暖的气候条件下，除了节能之外，还有许多其它的好处和用途。

屏蔽保护

铝片是扁平的，呈层片状的。这些片状的铝片平行于表面排列并相互重叠，形成一个有效的屏蔽层，防止水分、氧气和热量的渗透。形成的不可渗透的屏蔽层将通过减少氧气和水分的渗透来提高涂层的抗腐蚀能力。氧气渗透性的减少可能是在锈蚀表面上成功使用厚浆型铝着色环氧乳香漆的主要因素。屏障特性的另一个好处是应用于生产密封剂或杀污剂。当作为中间层使用时，铝的屏蔽层能有效地阻止所有的颜色迁移和渗色现象。

低辐射率

辐射率是衡量表面辐射热量的能力。着色涂膜的辐射率值通常为0.9（一种完美的散热黑体，其辐射率值为90%）。优化的铝着色油漆配方具有更低的热辐射率值（约为0.15）。这一特性使得铝着色油漆在减少烘炉、烤箱、锅炉和烟囱的热损失方面最具价值，从而提高了该设备的效率，同时减少了周围环境的热量积聚。铝片可以保护涂层载体和基材免受紫外线辐射和红外增热的降解作用。(图3)

图3 - 铝片增强了涂层对紫外线和红外线热辐射的反射率

耐温性

铝颜料在暴露时将在表面形成铝的氧化物。这使得表面在pH值为4.5至8.5的环境中能够阻止进一步的氧化。这使得铝颜料在高达649ºC的高温涂层中保持其有效性。一个很好的应用是将铝颜料与硅基涂料相结合，形成一个非常有效的高温涂料。

阴极保护

下图（图4）显示了未填充的环氧树脂乳香漆涂层的阴极剥离率与同样的环氧树脂乳香漆在5%和10%的铝片填充量下的阴极剥离率的差异。测试采用了连续性更换的天然海水，温度为8到13ºC，涂层漏涂处阴极极化至约–1050mV SCE。结果显示，未填充的涂层在两年后出现了约65毫米的剥离，5%的铝颜料剥离了20毫米，10%的铝颜料剥离了约3毫米。这项研究表明，随着铝片加载量的增加，屏蔽机制也在增加，从而影响阴极剥离程度。进一步的测试发现，铝颜料填充的涂层在直接涂覆于钢基底上时效果更好。这表明除了屏蔽作用之外，铝颜料对阴极剥离也有额外的改善作用。有人认为，与颜料表面氧化物的缓冲反应可能会减少阴极剥离。

图4 - 不同铝片颜料浓度的环氧树脂乳香漆涂层的阴极剥离结果。(在46-55ºF的更换海水中，电压为-1.5V)

铝片在用于涂料时具有良好的优势。找到合适的铝片非常重要。片状铝是抗腐蚀的最佳类型。浮型铝片又分为粗、中、细三个等级。粗粒级提供明亮、高反射、相当坚韧的纹理涂层，用于屋顶涂料和其他应用。中等品级具有更平滑的纹理、更高的光泽度以及更大的覆盖范围；但是，其总反射率或亮度没有那么高。通常情况下，这些等级用于常规的工业、贸易销售和高性能维护涂料。精细等级可以提供最高的光泽度，可以达到镜面的效果。它们通常用于气雾剂、墨水和特殊饰面。

玻璃鳞片 GLASS FLAKE

玻璃纤维增强涂料的主要用途最初仅限于腐蚀性浸泡服务中的重防腐储罐衬里或混凝土地坪。由于美国和其他工业化国家对环境问题的日益关注，对于储罐或容器周围以及化学加工区域的二次安全围护和蒸汽回收系统的要求，以控制溢出或泄漏，加强了玻璃增强涂料的规格和使用。涂料中常用的加固玻璃有两种类型：片状玻璃加固和玻璃纤维加固。片状玻璃增强涂料和玻璃纤维增强涂料的主要区别在于，鳞片玻璃在工厂批量生产过程中添加到涂料中的，玻璃纤维增强涂层是将玻璃纤维与液体涂料或树脂的施工分开，在现场完成涂覆。温度、化学物质和任何冲击/磨损的暴露条件将决定指定的加固类型以及使用的涂料或树脂类型。玻璃鳞片加固通常用于乙烯基酯、聚酯、环氧树脂、酚醛树脂以及丙烯酸和工程热塑性塑料。本文将讨论玻璃鳞片性能和涂层性能的提高，如：水汽传输、阴极保护、收缩应力和热膨胀系数、耐化学性和耐磨性。最后，总结玻璃鳞片填充涂料在各个行业中的典型应用。。

PROPERTIES

玻璃鳞片是由硼硅酸盐玻璃制造出来的，主要是二氧化硅（SiO₂）和石英硅作为原料。商业上提供的玻璃鳞片的尺寸范围为0.8 - 9.5微米厚，和10 – 4000微米宽。有一家玻璃鳞片生产商提供了各种厚度的玻璃鳞片和三种粒径范围的玻璃鳞片（图5）。

图5 - 商业上可用的玻璃鳞片尺寸

在微观尺寸的可用性方面，玻璃鳞片与云母氧化铁和铝片相似，被认为是一种 "高的径长比 "的片状增强型颜料；也就是说，非常扁平，非常薄，就更层板一样。径长比是标称薄片厚度与标称平面直径之比的标称值。相比之下，薄纸盘的径长比会很高，而棒球的径长比会很低。

下图是玻璃鳞片颗粒的显微镜视图（图6）。

图6 - 玻璃鳞片的显微视图

玻璃鳞片生产商一直在生产一种改良的 "C "玻璃，（又称 "C "级面罩或ECR - 超耐腐蚀性），从而提高涂层的耐化学性。”C "级玻璃鳞片的pH值被中和，这种惰性使其与液体涂料有更好的兼容性。此外，玻璃鳞片生产商还提供有一系列表面预处理的玻璃鳞片，以适应不同类型的树脂。这些玻璃鳞片表面预处理由各种有机硅烷偶联剂组成。这使得玻璃鳞片的表面和周围的涂料或树脂基体之间能够产生化学性结合的功能。从改性“C”玻璃生产玻璃鳞片提高了涂层树脂的润湿能力，并结合适当的有机硅烷预处理提高了鳞片对树脂的附着力。其结果是提高了以下涂层的性能。

水汽传输

关于湿气传输，玻璃鳞片在涂层或树脂系统中的有效性取决于以下两个变量：

· 

薄片厚度 - 这决定了在给定的涂膜厚度中可以实现的玻璃鳞片层的数量。

· 

· 

薄片的直径 – 粒径的直径将决定水分子到达后续玻璃鳞片层所需的横向距离。

· 

由于玻璃鳞片在涂层中具有均匀一致的标称厚度和粒径，这将使片状鳞片在整个涂层干膜中实现更好的填充和叶状排列。一种更加均匀的增强涂膜，如果显著增加了水到达基材所必须经过的路径距离，这将显著减少水汽的渗透率。下图（图7）显示了乙烯基酯树脂中，随着鳞片含量比率的增加，涂层的吸水性和蒸汽渗透性的显著下降。

图7 – MVT（水汽传输）和吸水率与玻璃鳞片含量的关系

阴极保护

除了显著降低涂层中的水汽透过率和吸水率外，添加玻璃鳞片还将使储罐、处理容器和埋地管道中常用的外加电流阴极保护系统具有非常好的性能。具有 "C "级成分的玻璃鳞片，还提供了有机硅烷偶联剂的预处理，增加了与特定涂层树脂的润湿和化学性结合，并提高了耐阴极剥离性能。下面（图8）显示了未填充的环氧树脂乳香漆涂层与含有10%和20%玻璃鳞片的相同环氧树脂乳香漆的阴极破坏率的差异。

图8 - 不同玻璃鳞片浓度的环氧树脂乳香漆涂层的阴极剥离

收缩应力和热膨胀系数

用于重防腐衬里和二级围护服务的树脂，如聚酯和乙烯基酯，在固化过程中会发生高收缩并放热(即释放热量)。固化后，它们会变成坚硬的脆性涂层，当被置于应力下时，特别是在非常低的工作温度下，会出现开裂或剥离。由于上述树脂具有较高的热膨胀系数，因此存在捕获这种拉伸应变的条件。除了增强涂层屏蔽性能外，玻璃鳞片增强还可以降低与涂层固化和热冲击或热循环相关的收缩应力。这是因为玻璃鳞片增强在以正确的加载率使用时，能够降低涂层固化收缩应力，同时也可以将这些涂层的高热膨胀系数降低到更接近混凝土或钢材的范围。

耐化学性和耐磨性

由于其固有的片状形态（即板状结构），玻璃鳞片具有优良的屏蔽性能和独特的各向同性机械强化作用。各向同性是指在所有方向上都是相同性的。玻璃鳞片颜料在整个涂层或树脂基体中赋予各向同性的机械性能，从而提供多向的增强作用。最后，选择适合指定涂料类型、厚度和施工方法的玻璃鳞片尺寸，以及涂层中玻璃鳞片比例的变量，将提高涂层的耐化学性和耐磨性。

玻璃鳞片填充涂层的典型用途

下图是玻璃鳞片增强涂层在各行业的典型应用概况。

结论 CONCLUSION

本文回顾了三种类型的增强型颜料以及在高性能涂料中使用它们的好处。云母氧化铁（MIO）、铝片和玻璃鳞片都是增强型颜料，当它们用于高性能涂料时，将提高其性能特性。这些颜料的关键特征是它们的片状形状。这种形状允许在涂膜中定向，从而改善涂层的各种性能。MIO颜料将改善屏蔽性能，提高涂层间的附着性、热稳定性和耐化学性。铝片颜料将改善屏蔽性能、热和光反射率、温度稳定性、阴极保护和湿气屏蔽。添加到高性能涂料中的玻璃鳞片将改善屏蔽性能、收缩应力、热膨胀系数、阴极保护和减少湿气传输。