摘 要：磷酸盐无机涂料一般是通过在磷酸盐粘结剂内加入金属或者金属氧化物骨料而最终制备成的水性无机涂料。因为磷酸盐无机涂料固化后的涂层表现出防腐性强、基体附着力高等突出优势，目前它在航天、汽车等工业领域以及石油、煤气管道防腐中得到了非常普遍的运用，和传统的有机涂料比起来其寿命更长，防腐性更好，因此也受到了更多的重视和研究。本文结合笔者实际研究，分析了磷酸盐无机涂料的基本组成及其在高炉煤气管道内壁中的应用。
关键词：磷酸盐 无机涂料 应用
0 引言
磷酸盐无机涂料属于水性无机涂料，它主要以磷酸及其碱性金属氢氧化物通过化学反应之后得到的磷酸盐粘结剂为成膜物，随后通过金属或金属氧化物的骨料进行混合后制备而成。磷酸盐无机涂料不单单表现出极强的防腐蚀能力，同时和有机涂料比起来也具备更好的耐高温性能和抗磨损性能，其使用寿命也更长。同时，磷酸盐无机涂料自身无毒无味，表现出极强的环境友好性，近年来在石油管道、煤气管道防腐工作中得以非常普遍的运用。
1 磷酸盐涂料及其应用
针对磷酸盐无机涂料的研究从上世纪五十年代开始，由于它表现出较强的隔热性能，前苏联科研人员将它广泛运用在耐高温透波材料领域，而美国通用电气把涂料的固化温度控制在315℃时，获得磷酸铝基复合材料。20世纪八九十年代时，磷酸铝基复合材料的固化温度逐渐下降到170℃，因为磷酸盐无机涂料应用领域的敏感性，我国从七十年代开始才着手对其展开研究。当前，磷酸盐无机涂料因为自身拥有的突出优势，已经被非常广泛地运用到耐高温、防腐耐磨涂料和复合材料的制备生产中[1]。根据在涂料中所发挥的具体作用，我们能够把磷酸盐无机涂料划分为粘结剂、固化剂、填充骨料和其他助剂这几部分组成。
1.1 粘结剂
粘结剂对于无机涂料而言属于非常重要的成膜物质，其作用是确保涂料能够和基体之间紧密粘附，同时也常常当成是涂料的骨架来把各类填充物进行连结，所以对于磷酸盐无机涂料而言，粘结剂的制备十分重要，会在很大程度上关系到涂料表面质量和结合性能。一般来说可以选择使用的粘结剂包括磷酸铝、磷酸镁、磷酸铬等。磷酸铬是通过磷酸和铬酸酐(CrO3)进行化学反应后形成，依靠甲醛、过氧化氢等将CrO3还原为Cr2O3，同时在之后的加热时和磷酸反应形成无定型P2O5-Cr2O3。这类无机聚合物骨架表现出非常大的强度以及弹性模量，然而因为Cr6+存在一定毒性，实际运用较少。磷酸镁粘结剂一般来说是把氧化镁、氢氧化镁等添加到正磷酸内产生磷酸二氢镁溶液制备而成，表现出硬化温度低、可塑性强以及强度高等突出优势，然而因为实际制备时镁和磷酸发生化学反应的速度较快，应当分步骤慢慢加入，或借助于添加缓凝剂的办法来对反应速度进行控制，所以也让制备流程变得更加繁琐。同时，缓凝剂如果没有得以合理控制还能够造成磷酸镁粘结剂强度降低。
磷酸锆的制备通过Zr(OH)4和正磷酸进行化学反应后得到，其表现出耐热性强的优势，因此这一磷酸盐无机涂料也非常普遍地运用到耐火材料上，但存在的一个突出问题是无法长时间保存。因为Al 原子半径不大，产生的Al3+配位数较低，可出现无序固化体，吸收应力和应变，和磷酸进行反应后得到的粘结剂表现出较强的附着性，因此现阶段磷酸铝粘结剂在耐火材料、绝缘阻燃材料以及粘结材料中具有广泛运用。实际制备时添加铬盐能够得到磷酸铝铬粘结剂，可以降低粘结剂含水量，减少黏度，促进成膜性的增强[2]。
磷酸铝是依靠磷酸和氢氧化铝进行化学反应后制备得到，把磷酸溶解到水中并让其温度提升到 80℃，进行搅拌后慢慢添加氢氧化铝，反应结束后能够获得澄清的溶液，随后在其中加入金属氧化物(Cr2O3或MgO)和水来对pH值予以调控，完成后在室内静置，最终获得粘稠状的磷酸铝粘结剂，其基本制备工艺流程如图1所示。
相关研究表明，磷酸和氢氧化铝的实际含量直接关系到磷酸铝粘结剂的主要成本，从而对最终固化后的无机涂料具体性能带来影响。借助于对氢氧化铝与磷酸摩尔质量之比予以调整，了解到合成的粘结剂主要成分是AlH3(PO4)2·3H2O。如果Al/P不超过1.3:3，存在没有反应完全的磷酸剩余;如果Al/ P超过1.4:3，会发现剩余的氢氧化铝。
1.2 固化剂
固化剂所发挥的功能是控制磷酸盐无机涂料的固化温度，还有助于促进膜层耐水性的增加。依靠固化剂和粘结剂的关联反应，释放热量，加速无机涂料固化。一般来说可以选择金属氧化物、硅酸盐或者硼酸盐充当固化剂。金属固化剂往往是借助于和磷酸内的氢进行置换反应，产生不规则化合物，让无机涂料能够在低温环境下进行固化成膜，从而有效控制其固化温度。比如说把Cr2O3添加到磷酸铝粘结剂内，可以实现200℃以下的磷酸铝铬涂层固化。因为铬离子表现出一定的毒性，可以选择AlN、 NH4F、Cu2O、MgO或者ZrO2来当成是固化剂，实验结果证明添加3%～5%左右的AlN或NH4F时，将涂料温度提升到200℃的情况下可以完全固化，表现出较强的化学稳定性。与此同时，CuO也可以当成是固化剂，它有助于无机涂料脱水，减少表面干燥时间，不但可以降低固化温度，同时可以提升粘结强度，然而需要注意的一点是CuO固化剂如果不能准确把握添加量，可能造成固化速度过快而出现疏松结构，另外针对ZnO、CuO以及Cr2O3固化剂进行对比实验，了解到CuO的固化用时最少[3]。MgO对磷酸盐无机涂料的固化效果最好，但因为其活性更高，常常会由于固化过快导致不能顺利成膜。选择表面包覆的措施让纳米SiO2粒子附着于MgO颗粒表面，从而能够得到MgO@SiO2固化剂。实验证明，进行表面修饰后的固化剂可以让MgO缓慢释放，不但能够把磷酸盐无机涂料的固化温度减少到80℃，同时可以将固化速度维持在合理的范围内，最终的涂层更加平整密实，且表现出更好的耐湿性以及耐盐雾性。
1.3 填充骨料
按照磷酸盐无机涂料实际应用的环境差异，应当有针对性的选择骨料来实现其更好的性能。比如说在促进材料耐磨性的角度而言，把氧化铝与碳化硅等添加到磷酸铝粘结剂之内，将铝酸盐(Al2O3·CaO)当成是固化剂，涂抹在A3钢表面能够获得陶瓷涂层，有效促进其耐磨性的提升。针对磷酸铝、磷酸镁以及磷酸铬等粘结剂分别加入Sn后，在400℃温度下研究其摩擦磨损性，实验结果了解到加入Sn的涂层其摩擦系数更低(μ=0.06)。对磨痕位置的元素实施分析，提出是由于Sn的熔化发挥出了润滑作用，把石墨添加到磷酸铝铬粘结剂之内，能够获得在高温条件下拥有更好润滑性能的涂层。
对于防腐蚀性能而言，把铝粉添加到磷酸铝粘结剂之内，最终获得的含铝磷酸盐无机涂料可以为钢铁企业煤气管道内壁带来更强的腐蚀防护，同时其具备更好的耐氧化性。这一无机涂料在600℃温度环境下氧化超过100h时，表面仅有部分微孔，可以带来非常显著的防护效果。把Zn粉末添加到磷酸铝粘结剂之内，不但可以减小无机涂料的固化温度，同时能够获得Zn(PO3)2晶体，提升其对基体材料的屏蔽性能。同时，把磷酸盐涂层喷涂在钢铁上，不但能够依靠涂层自身的屏蔽能力来发挥出保护作用，同时借助于涂料内部的P和钢铁基底作用出现磷化反应，有助于增强耐腐蚀性以及无机涂料的附着能力。
本文来源于：《全面腐蚀控制》(月刊)创刊于1986年，月刊是以石油和化学工业为主、以工业企业为主、以应用技术为主，面向国内外公开发行的技术性、专业性和行业性期刊。投稿要求：来稿不宜太长，一般不超过5000字，综述不超过6000字。注意：凡来稿在提交后接到系统自动回复30天内未接到稿件处理通知者，系仍在审阅中。作者如欲投他刊，请先与本刊联系，切勿一稿多投。
对于耐高温性能来说，将铝粉作为骨料加入到磷酸镁铝粘结剂之内，能够获得耐高温达600℃的磷酸盐无机涂料。把碳黑以及氧化铝添加到磷酸二氢铝粘结剂之内进行混合，随后涂抹在碳化硅纤维布上，不但可以促进其耐高温性的提升，同时表现出更好的抗弯强度。将磷酸盐作为基体材料，以方镁石当作固化剂，加入三氧化二铬制备的涂层，应用环境温度可达到2000℃，能够将其当成是导弹弹头以及弹体之间的密封材料。同时，骨料形状及其尺寸对无机涂料实际应用性能也会带来一定程度的影响，比如说磷酸铝无机涂料制备时，加入球形铝粉相对于片状铝粉后所获得的无机涂料表现出更强的耐高温性，如果添加骨料属于片状铝粉，在其中加入纳米TiO2可以减少涂料接触角，造成实际刷涂过程中铝粉在外力作用下表现为层状堆积，从而增强无机涂料对腐蚀介质的屏蔽性能。选择各种粒径铝粉可以让小尺寸颗粒补充涂料空隙，从而提升固化后涂层的密实度，增强其耐盐雾腐蚀能力[4]。
1.4 其他助剂
除开上述三种组成部分之外，磷酸盐无机涂料内还应加入部分颜料、助剂等实施调配，加入颜料的目的是让无机涂料能够有一定色彩，同时有助于促进涂层机械强度的增加;而助剂的添加能够有效避免磷酸盐无机涂料在生产、运输以及涂装时出现变质的问题，确保其实际性能，一般来说可以选择增稠剂、分散剂以及消泡剂等。
1.5 应用实例
无机磷酸盐防腐涂料在山钢日照钢铁新建项目高炉煤气管道内壁应用(2017年)，此项目只在管道的下半部分应用，图2污染物为上半部管道污物沉淀，剥离沉淀物后，涂层完好无脱落，无腐蚀，图3 为施工完成后现场图。
2 结语
目前，磷酸盐无机涂料已经成为无机涂料中的关键一环，表现出抗腐蚀能力强、粘接强度高以及制备技术简单等突出优势，在现代工业发展过程中发挥出了非常关键的作用，也受到了更多的关注。粘结剂的制备和固化剂的合理选择是无机涂料成膜质量的重要影响指标，骨料的添加应当结合具体的运用环境以及使用工况实施合理调整，现阶段国内研究人员已经了解磷酸盐无机涂料的制备工艺和成膜机理，对于性能优化改进工作也获得了一定的成效，在很大程度上扩展了磷酸盐无机涂料的应用范围。
总而言之，未来磷酸盐无机涂料必然会朝着高应用性能以及多功能用途的趋势发展，在部分极端环境下也表现出一定的推广应用前景，更加环保和专业的磷酸盐无机涂料必然成为未来研究人员关注的重点。——论文作者：潘志斌
参考文献
[1] 冉清连, 周骏宏, 王玉林. 亚磷酸盐防锈剂的研究进展[J]. 广州化工, 2020, 48(18): 6-8.
[2] 黄海平, 揭晓华, 郑开宏, 郑志斌, 林颖菲, 高唯. 基料浓度对铝基磷酸盐涂层结构及耐腐蚀性的影响[J]. 涂料工业, 2020, 50(06): 34-39+47.
[3] 秦真波, 夏大海, 吴忠, 胡文彬. 磷酸盐无机涂料及其研究进展 [J]. 表面技术, 2019, 48(12): 34-42.
[4] 刘长雁, 柴康乐. 无机磷酸盐高温防护涂层工艺优化和性能研究[J]. 机械工程师, 2019(11): 16-17.
