铬酸盐类颜料-防锈颜料
(2012-12-14 17:55:01)
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铬酸盐类颜料防锈颜料杂谈 |
中国新型涂料网讯:
在铅铬黄开始工业化生产后,研究者的注意力集中到其他金属的铬酸盐制备上,如在1847年苏格兰化学家Murdock制成了锌铬黄。Clarke于1853年申请了发明锌铬黄的专利。在19世纪末又出现锶铬黄的工业化生产,当时是作为一种美术用颜料。以后,铬酸钡及铬酸钙相继问世。
这类颜料开始出现时均作为着色颜料,如锌铬黄呈柠檬黄色,比较耐光,并可耐硫化氢气体,从1860年起又有采用锌黄同铁蓝拼成锌绿。但是锌铬黄的着色力、遮盖力均比不上铅铬黄。直到以后,这类颜料的真正用途才被发现。1900年,钢铁表面采用重铬酸钾溶液作预处理,使钢铁表面钝化而保持在涂装之前不生锈。Gröger在1904年以水洗涤锌铬黄,发现有铬酸根离子可洗出,一直到组成稳定,再无铬酸根离子可洗出为止。1908年,Heckel和Cushman建议锌铬黄有类似于重铬酸钾的防蚀作用,他们推断如锌铬黄配入底漆中,当水渗透过面漆而进入底层,能由锌铬黄供给足够的铬酸根离子,使金属表面得到钝化,从而阻止锈蚀的过程进行下去,因此锌铬黄可以利用水分来扩散有阻蚀作用的铬酸根离子。实践证明锌铬黄底漆确定有抗锈蚀的作用。锌铬黄的防锈机理可用它同钢铁所发生的化学和电化学反应来说明。钝化作用是在阴极区发生的电化学过程所引起的,从而使铁离子与铬酸离子(Cr 6)在钢铁表面形成一层金属氧化物的水合物。由于这类铬酸盐都能提供铬酸根离子,配制成涂料后,在钢铁表面起钝化作用,有防锈、防腐蚀的功能,因此这类颜料已成为防锈颜料中的一个大类,主要品种有锌铬黄、锶铬黄、钡铬黄和钙铬黄。
一、锌铬黄
锌铬黄的化学组成开始时一直未能确定,因铬酸锌(ZnCrO4)的溶解度很大,不能单独作为颜料,而必须制成碱式盐或同铬酸钾生成的复合盐,才具有颜料的性质。由于原料配比和配制法上的差异,可以制得不同化学组分的锌铬黄颜料。在1937年,Brizzolara确定锌铬黄的分子式是4ZnO·K2O·4CrO3v3H2O,到1944年,Tarr、Darrin和Tubbs又从实验工作中制备了纯的锌铬黄晶体,证实以上的分子推断是正确的。不过正如上所述,锌铬黄可以有一系列不同的化学组分,成分变动于4ZnO·CrO3·3H2O与4ZnO·4CrO3·K2O·3H2O之间。表8-1和表8-2分别为锌铬黄颜料的各种组成比较及其典型性质。
锌铬黄的主要成分是铬酸锌,习惯上常以三氧化铬(CrO3)的含量作为主要指标,一般锌铬黄中CrO3的含量为35 ~ 45%。
另一种碱式锌铬黄,不含铬酸钾,三氧化铬的含量在17%左右,分子式为5ZnO·CrO3·4H2O,又称为四碱式锌铬黄,主要用于防锈底漆,磷化底漆。
表1
近似化学式 |
化学组成(%) |
|||
ZnO |
CrO3 |
K2O |
H2O |
|
4ZnO·4CrO3·K2O·3H2O |
37.5 |
45.2 |
11.2 |
5.8 |
4ZnO·1.12CrO3·0.115K2O·3H2O |
64.2 |
22.1 |
2.1 |
11.0 |
4ZnO·CrO3·3H2O |
65.2 |
19.7 |
|
12.0 |
5ZnO·CrO3·4H2O |
70.28 |
17.27 |
|
12.43 |
表2
性质 |
1型 |
2型 |
四碱式锌黄 |
外观 |
黄色粉末 |
黄色粉末 |
黄色粉末 |
相对密度 |
3.36 ~ 3.46 |
3.39 ~ 3.49 |
3.89 ~ 3.97 |
吸油量(%) |
28 |
31 |
46 |
遮盖力 |
差 |
差 |
差 |
着色力 |
差 |
差 |
差 |
耐碱性 |
差 |
差 |
差 |
耐酸性 |
一般 |
一般 |
一般 |
水溶性(g CrO3/L) |
1.1 |
1.1 |
0.02 |
毒性,LD50(g/Kg) |
0.6 |
0.5 |
1.8 |
CrO3
(%) |
45.78 |
45.78 |
17.26 |
锌铬黄主要用于配制种类防锈底漆。以酚醛树脂为基料的可以制成锌黄酚醛底漆,以醇酸树脂为基料的可制成锌黄醇酸烘干型或自干型底漆。同样以过氯乙烯树脂、环氧酯、聚氨酯树脂为基料,可以制成各类锌黄过氯乙烯底漆、锌黄环氧底漆、锌黄聚氨酯底漆。这类底漆的配方中常配入氧化铁红颜料,底漆处观常相似于铁红底漆,但由于含有锌铬黄组分,防锈效果得到了显著的增强。锌铬黄已成为仅次于红丹的重要防锈颜料。
锌铬黄作为防锈底漆的主要原料要求含氯离子要低,以免降低其防锈性能,有些标准就规定氯离子的含量在0.1%以下。制漆过程中要求粘度不骤然上升(发胀),底漆贮藏期间只允许粘度略有增高而不超过规定的范围,使在施工应用时能进行正常的涂装操作。
锌黄底漆中的锌黄颜料体积浓度(PVC)一般为10 ~ 15%。由于锌铬黄的遮盖力很低,在铝粉涂料中适量加入一些锌铬黄,不影响铝粉涂料的金属光泽外观,而这类涂料的防锈性能可能显著增强。
二、锶铬黄
锶铬黄在19世末时已开始工业化生产,当时主要用为美术颜料,因为这种颜料有带绿相的鲜明柠檬黄色,并有良好的耐光和耐热性能,其主要缺点是着色力较弱。从1936年开始,在美术颜料中已被相似色相的有机黄颜料所替代。据1982年不完全统计,世界年产量约3,000吨。
锶铬黄的新用途是用作防锈颜料,因锶铬黄是铬酸锶SrCrO4,也同锌铬黄一样含有铬酸根离子,用于涂料中也有防锈的作用。
锶铬黄的化学组成是铬酸锶,含量可以在96%以下。锶铬黄是针状颗粒的柠檬黄色的颜料,色泽鲜明,相对密度为3.75,略有透明度,遮盖力约为70 ~ 90 g/m2,吸油量较高,达43 ~ 47%,视比容为600 ~ 650 g/L。耐酸和耐碱性均差,着色力也很弱,但是耐热性很好,可耐温300℃而不变色。
锶铬黄主要用于防锈底漆中,可配制锶黄丙烯酸底漆,用于铝镁合金上,也有用于配制锶黄环氧聚酰胺底漆,作为飞机机身涂料,也可同铝粉拼用,使所配制的铝粉漆外观不受影响,而防锈性能有所提高。
由于耐热性良好,虽然着色力很低,可用于塑料着色,并可适应近300℃的加工温度而不变色,通常作为塑料的拼色颜料使用。
三、钡铬黄
钡铬黄有两种,一种主要成分是铬酸钡,另一种主要成分是铬酸钡钾,是铬酸钡同铬酸钾的复合盐,化学式为BaK2(CrO4)2或BaCrO4·K2CrO4,都作为防锈颜料用。
铬酸钡是一种奶黄色的粉末,着色力极低,不能用作着色颜料,因含有铬酸根,所以用于防锈底漆中有类似于锌铬黄的作用。铬酸钡的国际标准号为ISO 2068-1972。它要求BaO含量不低于56%,CrO3含量不低于36.5%。
铬酸钡钾是柠檬黄色粉末,相对密度为3.65,折射率是1.9,吸油量11.6%,视比容是300 g/L。由于含有铬酸钾成分,有定的水溶性,所以也不能用作着色颜料,只能作为防锈颜料,可替代部分锌铬黄。从发展趋势看,它仅是涂料行业可供选用的铬酸盐防锈颜料的品种之一。
四、钙铬黄的主要成分是铬酸钙(CaCrO4)。外观呈柠檬黄色粉末,理论的三氧化铬含量为64.1%,实际产品三氧化铬含量也接近60%。由于Ca的相对分子量仅40.08,因此它是铬酸盐防锈颜料中三氧化铬含量很高的一种。主要特点是水溶解度高,现将铬酸盐防锈颜料的水溶解度列表作一对比,见表3。
表3
颜料 |
溶解度(g/L) |
颜料 |
溶解度(g/L) |
钙铬黄 |
17 |
四碱式锌黄 |
0.02 |
锌铬黄 |
1.1 |
钡铬黄(铬酸钡) |
0.001 |
锶铬黄 |
0.6 |
铅铬黄 |
0.0005 |
从表中可见钙铬黄的水溶解度比其他品种高出甚多,加之三氧化铬含量高,所以毒性较所有铬酸盐防锈颜料大,生产和使用时应特别注意安全。在配制防锈漆后,因可以提供充分的铬酸根离子,钝化作用有所加强,防锈性能有所提高。不过由于水溶解度太大,引起漆膜抗水性下降,所以要发挥它的特长,要选用抗水性能良好的树脂作为基料,如以钙铬黄配制钙黄过氯乙烯底漆、钙黄氯化橡胶底漆、钙黄环氧酯底漆等。有些带锈底漆配方中也选用钙铬黄,也可以同锌铬黄、锶铬黄、钡铬黄等配合使用,以求得到取长补短的效果。