最後更新日期：2023年12月01日

【技術文獻】厚塗型PU防蝕塗料於高腐蝕環境之實際應用

塗料開發處 黃玄昇

• • • 前言
    • 塗裝系統與防蝕效果
    • 高膜厚PU塗料簡介
    • 對抗大氣腐蝕的生力軍–柏特耐V101
    • 柏特耐於港灣之防蝕效果追蹤
    • 結論

摘錄自柏林61期刊物

1.前言

鋼鐵材料之應用遍及大樓、公路、橋樑、地鐵、民航以及工業製造等領域，然而就像水往低處流這個亙古不變的定理一樣，金屬在大氣環境中，不可避免的會出現生銹的現象，銹蝕是因為在金屬的表面上發生了氧化反應使金屬變成鈍態的氧化層，以鐵來說，就是氧化鐵，雖然氧化鐵性質較為穩定，但是其結構不緻密，且不具強度，因此以鋼鐵組成之建築物，一旦出現生銹的現象，將會大幅降低結構本身的強度，因為金屬腐蝕為大自然現象，只能降低反應速率而無法停止，為了徹底解決銹蝕所造成的問題，惟有一開始就杜絕腐蝕因子，防患於未然，才是正確的防蝕態度。

表1.傳統防蝕塗料與無溶劑型厚塗防蝕塗料比較

2.塗裝系統與防蝕效果

2.1 金屬腐蝕的成因

要解決金屬腐蝕問題，必須先了解腐蝕的成因，簡單來說，當金屬在大氣中因為電化學作用所產生的損壞，就稱為腐蝕，所以決定金屬腐蝕速率與狀況的因素，除了金屬本身的特性之外，就是大氣環境的條件。大自然中除了金、銀、白金等頓態金屬是以純物質的型態存在於地殼中，大多數的金屬都是維持化合物的型態，亦即我們藉由冶煉所得到的金屬材料，勢必隨著時日恢復為穩定的化合物，這種趨勢取決於金屬自身的氧化電位高低，相較之下，氧化電位高的金屬比氧化電位低的金屬容易出現腐蝕的現象，而合金因為組成的不均勻性，一旦有適合的介質形成通路，就會產生電位差，進而出現腐蝕的現象。

2.2 結構物於大氣中所遭遇之腐蝕因子

與臨海地區相比，暴露於大氣中之結構物所遭遇的腐蝕環境雖然較單純，然而由於台灣地區工業廠房林立，因此腐蝕因子的組成較為複雜，大氣中的腐蝕因子除了水與氧之外，還有其他具高腐蝕性的腐蝕因子。一般來說，當環境中具有足夠的相對濕度，在金屬表面將會形成水膜，相對濕度越高，所形成的水膜越厚，腐蝕速率越快，在高溫的地區此現象更是明顯，文獻指出，當相對濕度低於65%時，腐蝕行為較為緩慢，當相對濕度高於65%時，溫度每上升10℃，腐蝕速率提高約兩倍。而空氣中佔有1/5的氧氣，也會促成腐蝕現象的發生，金屬在大氣中的腐蝕行為，水與氧缺一不可，此理論可由鐵釘浸泡在無氧的水中即使經過多年也不會生銹得到驗證。

雖然大氣中腐蝕環境較單純，但是工業區高濃度的硫化物、氮化物，以及沿海地區的氯化鈉離子，都會加速金屬的腐蝕，其所引起的腐蝕速率可為水與氧引起的數十倍。這些具有腐蝕性的物質，往往會對塗料表面造成破壞，加速腐蝕反應的進行，進而縮短塗膜對底材保護的年限，這些化學性的腐蝕因子，其強度隨著構件所在區域不同而有所差異，在鄉村與內陸地區之空氣較潔淨，污染物濃度低，因此金屬建物腐蝕狀況緩和，相對之下沿海地區以及工業區之腐蝕因子種類複雜且濃度高，如此惡劣的環境將會加速金屬建物之銹化。台灣四面環海又地處亞熱帶，構成高溫、高濕又高鹽分的環境，加上石化工業蓬勃發展，使得台灣地區的腐蝕等級已經超過ISO 12944-2的腐蝕環境分類中最嚴重的C5等級，這也就是為何在台灣塗裝系統往往在保固期限內便失去對構件之保護效果。

2.3 常見的防蝕方法

隨著工藝技術的演進，針對各腐蝕成因所發展出來的防蝕工法琳瑯滿目，常見的防蝕工法依照其特性可分成四種：

(1)金屬耐蝕能力的提升

常見的耐蝕材料就是不銹鋼，其原理是將高活性的金屬與低活性的金屬混合得到不易腐蝕的合金，提升構件本身的強度，延長使用壽命，材料設計需依照實際環境狀況進行耐蝕性合金之開發。

(2)環境遮斷

又稱為被覆防蝕法，主要可分為塗裝被覆與金屬被覆，其原理是將被覆材料覆蓋於欲保護之構件上，藉由阻斷大氣中腐蝕因子與構件接觸的方式，達到抑銹的目的，依照使用的被覆材料可區分為塗料被覆與金屬被覆，前者包含包覆、防銹處理、塗裝、內襯等，後者則有電鍍、熱浸鍍、金屬熔射、金屬內襯等方法。

(3)環境處理

以除濕、空調、防濕、離子交換、酸鹼度調整等方法，將環境中的腐蝕物質除掉，或者選用適當的腐蝕抑制劑，如氯化性防銹劑、水溶性防銹劑，此防蝕方法與其他方法相比，成本相當可觀，並不適合用於公共工程之鋼結構防蝕。

(4)電氣防蝕

顧名思義，電氣防蝕法就是以電化學的方法達到防蝕的效果，陰極防蝕與添加防蝕劑是兩種主要的方法，陰極防蝕之原理是替代材料或輔助電極先於構件出現氧化反應時，將會放出電子，而此電子會彌補構件本身因為氧化所失去的電子，藉此抑制腐蝕反應的進行，可以外加電流或犧牲陽極的方式達到此效果。防蝕劑的添加則是利用化學藥品化學藥品吸附於構件表面，所生成的保護層可以降低腐蝕因子的影響，避免構件繼續生銹。

防蝕理論實際應用時，所使用的防蝕工法依照不同的需求與環境條件會有所不同，在更嚴苛的環境下，單一工法已無法符合實際需求，此時需要以其他工法加以輔助，例如塗料結合電氣防蝕這樣的複合防蝕技術才能獲得令人滿意的防蝕效果。

2.4 塗料防蝕

以鋼結構公共建設防蝕工程來說，普遍採用環境遮斷防蝕法隔絕外來的腐蝕因子，這當中又以塗料之應用最為廣泛，目前常用的塗料依照其機制可分為三種，分別是1.遮蔽型：以水滲透性較低之塗膜，隔絕外界的腐蝕因子，為了獲得較佳的阻絕效果，常會以高膜厚來延長保固年限；2.抑制型：在配方中添加入具有抑制效果的防銹顏料，此類型的塗料之防蝕機制是當水滲透入塗膜後，防銹顏料會釋放出離子並在金屬構件表面形成鈍態膜，這層薄膜只要不被破壞，便可提供底材極佳的保護，與遮蔽型塗料相比，所需之膜厚較薄，一般不會單獨使用，而是加上中塗漆與面漆作為塗裝系統，提高整體之防蝕性能；3.犧牲保護型：結合電氣防蝕法之理論，在塗料中加入氧化電位高之金屬粉末，當金屬粉末與底材接觸後，便可藉由自身的氧化反應保護底材，當塗膜表面受到破壞時，還是能為底材提供一定程度的保護作用。常用的金屬粉末為鋅粉，此類型的塗料必須在配方中添加足夠量的鋅粉，才可具有令人滿意的犧牲保護效果，也因此在價位上相對較為昂貴。

這三種塗料之比較如表2.所示：

表2.防蝕塗料比較

目前長效型被覆防蝕材料，主要採用陰極保護及阻絕保護。常見的陰極保護是採用犧牲陽極法。犧牲陽極法是指將被保護金屬與電位更負的活潑金屬接觸，由於兩者電極電位不同，所以構成原電池，從而產生起陰極保護作用的陰極電流，這種比被保護金屬電位更負的活潑金屬即為犧牲陽極。目前廣泛採用的犧牲陽極材料主要有：鋅、鋅合金、鋁合金、鎂及鎂合金等。而目前大氣防蝕中因鋅金屬價格較低，故使用率較高，較普遍的產品有無機鋅粉塗料、有機鋅粉塗料、鋅鋁熔射等…。此類型的材料暴露在大氣中，會逐漸消耗藉此保護底材，一般來說，鋅金屬犧牲保護時效與其重量成正比，如要延長1 倍保護年限則需增加1 倍重量，因此雖然此類型的材料有不錯的防蝕效果，但是日後的維修費用將相當可觀，而對於裝設於海面上的構件，更不易進行維修。至於阻絕保護型塗料，主要是以高膜厚阻絕外來的腐蝕因子，依Fick 第二定律(質能擴散定率)，其擴散總量與距離平方成反比，故膜厚愈厚阻絕效果愈佳，其腐蝕因子透過量愈低，防蝕效果愈佳，且此效益成平方遞增，亦即膜厚增加10倍則防蝕效率提高100倍，目前在北海及美國的墨西哥灣中大部分的海外平台的潮汐帶塗裝系統已大量採用無溶劑型厚塗PU等內襯型塗裝系統。

2.5 傳統防蝕塗料之使用限制

(1)塗裝間隔長

由於底層塗膜需達到半堅結狀態後才可進行重塗作業，常用的塗料之塗裝間隔約為2~6小時，如果以傳統五道漆塗裝系統(底漆一道/中塗漆二道/面漆二道)來說，從結構物噴砂完成到完成全部的塗裝並到達可搬運之狀態約需3~4天的時間，因此往往會因為天候的因素造成工期的延宕，加上乾燥過程中構件與構件無法疊放，所以對於塗裝廠來說在空間的使用上受到蠻大的限制，尤其台灣屬於地窄人稠的地理環境，因此土地務必要得到更有效的利用。

(2)維修成本高

台灣地區之腐蝕條件嚴苛，傳統塗料應用於C5或C5⁺的腐蝕環境時經常無法為結構物提供應有的保護效果，就算是防蝕性能優異的鋅粉漆系統使用在沿海的工業區時也必須固定時間進行維護，這當中所衍生出來的材料成本以及人工成本都會造成客戶以及施工單位的負擔，而舊構件因為需要就地進行維護工程作業，所以施工的品質勢必會受到環境的影響，尤其是傳統塗料的塗裝間隔長，鹽分與酸性物質容易包覆在每道塗膜之間，這些都將使得防蝕效果大打折扣。

(3)需預先混合易產生廢料的問題

現場塗裝之工法大多為無氣噴塗，因此塗料需要先將主劑與硬化劑依比例均勻混合後再加入適當量的稀釋劑調整黏度，因為傳統塗料必須先預混合才可進行噴塗，所以只要混合後沒有於可使用時間內使用完的塗料勢必會完全膠化，使用過後的桶罐與廢料都要另外回收丟棄，徒增不必要的處理成本。

(4)溶劑型配方不符合環保趨勢

傳統塗料的配方設計多為溶劑型系統，使用時為了方便施工也會另外添加稀釋劑，這些有機溶劑在塗膜生產以及使用過程中都會慢慢逸散，散佈於空氣中的有機溶劑分子對於環境之影響甚鉅，近年來歐盟對於塗料中溶劑之使用種類以及數量皆有日趨嚴苛的趨勢，國內也開始提高空污費的徵收，這對於塗料生產者以及使用者來說絕對是一個警訊，往後對於塗料配方的開發勢必要朝向無溶劑型的方向前進

有鑑於傳統塗料之使用限制以及塗料產業日後發展之趨勢，柏林公司領先業界於20年前便開始推廣兼具硬化時間短且無溶劑的柏特耐高膜厚PU 塗料，此產品主打潮間帶鋼管樁之防蝕，更於2008年與中鋼合作申請科專計畫，為期兩年的計劃執行過程中順利開發出適用於大氣腐蝕環境中的環保型快乾防蝕塗料–柏特耐V-101，本產品除了具有優異的防蝕效果外，更無傳統塗料的使用限制，可謂是新一代的防蝕材料。

3.高膜厚PU塗料簡介

3.1  PU的結構與性能

PU的結構與其反應後的性質有著相當重要的影響，不同性質的PU其所適用的領域亦不相同，聚胺酯是由多元醇、二異氰酸酯、及較小分子的鏈延長劑所反應而成之聚合物，同時具有軟段和硬段的結構，一般來說，以二異氰酸酯與二元醇所組成的部份具有柔軟性，稱之為軟質鏈段；而由二異氰酸酯與鏈延長劑所組成的部份具有剛性，則稱之為硬質鏈段，這是由於節段內或節段與其他鏈上的同種類節段容易形成較為緊密的結構（可能由於分子鏈的極性、氫鍵、或是結晶等因素），此鏈段所聚集而成的部分稱為硬質部分。經由配方的調整，可以任意改變PU材料反應後之硬質鏈段與軟質鏈段的比例，藉此獲得不同特性的材料⁽²⁾。美國材料實驗協會(ASTM)在規範D16中將PU分成六類，並將兩液型PU材料歸類於第五類，規範中建議彈性PU使用於混凝土構件，此類型的PU之伸長率約為50~1,500%，因此彈性PU普遍用來做為防水材料，而硬質PU之伸長率為3~50%，因此適合用於鋼構底材，可為鋼結構提供優異的保護效果，由圖1.可知軟質PU的交聯密度低，硬質PU的交聯密度高⁽³⁾，因此硬質PU之塗膜具柔韌耐衝擊性，可承受外力撞擊，可符合塗裝後需要搬運與組裝的構件之需求。

            圖1.PU交聯度與性能的關係

3.2兩液型快速硬化ＰＵ塗料簡介

兩液型快速硬化PU塗料起源於1970年代，當時所使用的噴塗聚胺酯彈性體，主要是由樹脂組份（簡稱A劑）與異氰酸酯（簡稱B劑）經過聚合反應生成的一種彈性體物質。異氰酸酯既可以是芳香族的，也可以是脂肪族的。其中B劑可以是單體、聚合體、異氰酸酯的衍生物、預聚物和半預聚物；預聚物和半預聚物是由端羥基化合物與異氰酸酯聚合所得⁽⁴⁾。A劑則是由端羥基樹脂（例如︰二元醇、三元醇、多羥基聚合物多元醇等）和端羥基（芳香族或脂肪族）擴鏈劑組成，此外為了控制提高反應速率，催化劑的添加也是必須的。

厚塗型PU防蝕塗料具備了以下幾個特點：

1.不需事先混合，避免材料的浪費。

2.乾燥快速，2~4小時便可半堅結。

3.使用新式噴塗工法，施工快速且可形成連續性塗膜，塗膜緻密性佳。

4.可一次噴塗達2mm以上之膜厚不垂流，與傳統塗料一道最多僅可噴塗250-400um不

同，大幅節省工時。

5.快速硬化，可於垂直面與倒吊面施工。

6.材料無毒性。

7.固份98%以上，無添加溶劑，符合環保趨勢。

8.可連續重塗形成無接縫的高強度塗膜，為底材提供更佳的保護。

4.對抗大氣腐蝕的生力軍–柏特耐V101

    由於造成金屬材料腐蝕的原因莫衷一是，所以在選擇防蝕材料時如果沒有正確的觀念，往往會得不到預期的效果，腐蝕問題的產生通常是來自於材料的誤用，例如鋅鋁熔射材料為新一代的防蝕材料，當施作於金屬底材上時，鋅可以提供優異的犧牲保護效果，鋁則是可以減緩鋅的消耗速率，但是鋅鋁熔射材料使用於酸性環境時，容易因為酸性物質與鋅鋁金屬反應使得防蝕效果大打折扣，所以如果要讓防蝕材料發揮應有的效果，必需把握一個原則，就是「適“材”適所」，因為不同的防蝕材料皆有其獨特的防蝕原理，對症下藥才可收事半功倍之效。當結構物曝露於腐蝕等級為C5以上的工業區時，傳統塗料由於受限於硬化速率以及溶劑型的配方設計，因此無法有效提高膜厚，以常見的五道漆防蝕系統來說，膜厚大約250μm，雖然系統中常會結合具有犧牲保護效果的鋅粉漆以及阻絕型的塗料來延長使用年限，但是每3~5年還是需要進行構造物的維護工程，在更嚴重的腐蝕環境中，甚至需要每年進行保養維護，因此要耗費相當多的人力以及材料。依照滲透定律以及金屬腐蝕的條件進行理論計算可知，在C5環境中只要塗膜厚度大於1mm便可阻止腐蝕現象的發生，而厚塗型PU防蝕塗料之膜厚設計為2mm以上，相較於250μm的塗膜，水在兩種塗膜間的滲透達底材的速率比約為1:64，由於水是金屬腐蝕的必要因素之一，因此只要能有效阻絕水的滲透，便可有效延緩腐蝕現象的發生，此外大氣環境中複雜的酸性腐蝕物質亦是影響塗膜保護效果的要因，所以塗膜本身是否具有忍受化學物質的特性亦是不可忽視的重點，有鑑於此，柏林公司以柏特耐之產品特性為基礎，開發專門用於抵抗大氣腐蝕之材料–柏特耐V-101，著重聚胺酯的耐化特性以避免大氣中酸性物質對於金屬構造物的腐蝕作用，表3為柏特耐V-101之性能規格。圖2為應用於大氣腐蝕環境之塗裝作業流程圖，為了兼具延長使用壽命與美觀的功能，可於柏特耐V-101表面施加一道耐候PU面漆，此道面漆可依客戶需求進行色相的搭配，同時可為厚塗PU塗膜提供多一道保護。

          表3. 柏特耐V-101性能規格

圖2. 柏特耐V-101塗裝作業流程圖

5.柏特耐於港灣之防蝕效果追蹤

    柏林公司於1994 年率先引進美、日先進技術，推出專門用於港灣結構物防蝕之產品─柏特耐，並施作於中鋼公司101 碼頭潮間帶鋼管樁，十幾年來已累積相當多成功的實績(表4)，期間基隆港、臺中港、高雄港、花蓮和平港等均陸續使用，並深受業主肯定。本材料之實績全數應用於港灣碼頭，因為受限於海上補修作業困難度高且品質難於控制，故完成塗裝之構件在搬運保護上便顯得非常重要。在良好工程管理下，除因使用材料本身耐撞擊性就較傳統油漆塗膜佳外，最後安裝後整體塗膜狀況良好。目前台灣普遍有些工程，防蝕塗裝作業於噴砂塗裝廠完成後，往往在搬運及現場儲存、吊裝就忽略了對塗膜保護，容易造成塗膜損傷，雖經補修處理，但也容易因處理不當而較易產生腐蝕，影響整體防蝕功能。因本工程其施工程序為採構件皆在噴砂塗裝工廠塗裝完成後才運送至現場安裝，而塗裝作業又受天候環境影響甚大，造成我方施工團隊莫大壓力。因海上吊裝工作須配合海象及吊船使用，不能因構件塗裝進度延誤或品質不良而影響，否則將造成整體工程費用損失及整體進度延誤，關係重大，所以塗裝進度需百分之百配合整體吊裝作業需求，本材料因為具備硬化迅速、不需多道塗裝一次可厚塗2mm 以上，因此可以縮短整個塗裝作業的期程，而其堅韌的塗膜不易因撞擊而碰損，更可節省後續的補修步驟，進而達到業主安裝進度需求。圖5為96年1月承包大棟營造鋼管樁塗裝工程之鋼管樁塗膜狀況，地點為台中港98號碼頭，觀察時間為101年3月，圖中為98號碼頭棧橋橋面板下的鋼管樁，台中港之潮差約5米，漲潮時可淹至橋面板底部，實地觀察時發現塗膜表面已長滿貝類，為了得知塗膜之防蝕性是否受影響，以工具除去表面之貝類(圖6)，除去附著的生物後塗覆於鋼管樁表面之厚塗型PU防蝕塗料仍然完好，並無起泡、龜裂、膨脹、剝落之異常狀況(圖7)，可知本材料經過五年後依然可以為構件提供良好的保護，本次另一個觀察重點則是曾經因為吊裝過程塗膜表面受到損害，之後經過補修之區域(圖8)，實地觀察發現就算是經過補修，本材料一樣可以提供相當優異的保護效果，除去表面的貝類後，塗膜表面僅有色相差異，塗膜本身的性質依然極佳，不需維護，研判仍可為底材提供相當好的保護效果，後續將可繼續為構件提供五年、十年乃至於十五年的保護。

         表4.柏特耐應用實績

圖5.台中港98號碼頭棧橋橋面板下鋼管樁

圖6.除去鋼管樁表面之附著貝類

圖7.除去附著貝類後之鋼管樁

圖8.曾經補修過之區域除去附著貝類後

6.結論

鋼結構建築物之應用因牽涉到許多生命與龐大財產之安全，由於台灣屬於海島型氣候，大氣腐蝕相對嚴重，因此一般業主或設計者也會對鋼構物依據其所處環境提出明確防蝕處理之要求，目前鋼構所使用之耐蝕塗覆仍存在很多問題，因為目前市面上所販售之防蝕塗料大多數的配方來自於國外，往往無法承受台灣高腐蝕環境，而且塗料中有大量有機溶劑，噴塗時也具有環保問題。所以在提高鋼結構性能與價值之方略下，針對鋼結構環保耐久塗覆耐蝕技術進行開發將是必然的趨勢。

有別於傳統塗料的設計工藝，厚塗PU噴塗技術將灌注成型技術快速固化的優點和噴塗現場施工的特點成功的結合，使彈性體塗層的成型技術擴展到一個全新的領域，拓展了聚胺酯材料在高性能施工技術領域的應用範圍。厚塗PU噴塗材料問世後，其優異的性能和施工性引起國內外材料界和工程界極大的關注，更受到高度的評價。厚塗PU噴塗材料屬於一種全新的材料和施工技術，它的產業化過程不會是一帆風順的，後續還需仰賴a.關鍵原材料的國產化；b.主導產品的系列化；c.售後服務的專業化；d.市場開發的規範化；e.推展應用的普及化等方面，進行大量耐心、持久、艱苦、扎實的工作。

7.參考文獻

(1) 張道光、謝明志，柯正龍，港灣地區碼頭腐蝕資料及設施結構資料更新建置，第2-3~2-4頁。

(2) 賴耿陽：聚脲酯樹脂PU原理與實用(復漢、台灣、1997)第1~4頁。

(3) Shiwei William Guan,“100% SOLIDS POLYURETHANE AND POLYUREA COATINGS TECHNOLOGY: CHEMISTRY, SELECTION, AND APPLICATION”,The 2nd China International Corrosion Control Conference,China,November 4-8 2002

(4) J. H. Saunders: Polyurethane Chemistry and Technology(文京圖書、台灣、1973)  p. 299。

(5) 黃微波：噴塗聚脲彈性體技術(化學工業出版社、北京、2005)第2~3頁。

註：以上數據皆依當時出版時之數據資料，因塗裝技術發展迅速，詳細更新數據以柏林塗料開發處數據為主