保护涂层的缺陷分析 - 起泡/水泡
一. 前言PREFACE
起泡 BLISTERING（或者，水泡 BLISTERS）是一种典型的保护涂层失效 COATING FAILURES，常见于一些浸没/埋地的，或者高湿度/严重冷凝的，以及一些阴极保护系统的，有机涂层保护体系涂覆的结构表面。通常，这种起泡涂层失效大都发生在涂层体系的服务期间，很少发生在涂装施工过程中。如果在油漆施工过程中，涂层中出现类似于“起泡/水泡“的缺陷，通常不视作起泡涂层失效，即不包括在本文所涉及的内容中。因为这些形似”起泡/水泡“的漆膜缺陷 FILM DEFECT，其发生机理和导致原因与本文所讨论的起泡涂层失效是不同的，例如，多孔表面涂覆高黏度厚涂层所致的气泡 BUBBLING/BUBBLES，或者，漆膜中伴随细密针孔P INHOLES 出现的”起泡“（即未破裂的针孔）。
造成这种起泡涂层失效的可能因素有很多，在涂装项目实施过程中，各种各样的诱发条件和因素都可能是导致涂层失效发生的潜在风险，并最终影响防腐涂层保护体系的服务性能。
二. 描述DESCRIPTION
起泡涂层失效是指干燥的漆膜因局部失去附着力，导致从底层表面剥离并形成圆顶状突起或水泡。其成因涉及许多机理，包括与可溶性盐或可溶性颜料相关的渗透效应；腐蚀产物，残留的溶剂和来自于货物的溶剂等；而非渗透性起泡包括电（内）渗效应，阴极剥离；以及与冷墙效应和压应力相关的温度梯度等。
本文所述内容包括各种起泡涂层失效的类型及其发生机理分析，并提出相应的预防措施和失效部位的修补建议。同时，通过一些图示来辅助说明一些常见的钢结构表面的起泡失效外观。本文内容还包括防腐行业中最常见的用于评估起泡涂层失效程度的参考标准。
三. 重要性 SIGNIFICANCE
出现起泡缺陷的涂层体系对基材无法提供有效的防腐保护，其漆膜不连续性会导致缺陷部位发生早期锈蚀（腐蚀）。这种保护涂层体系特定的不连续性，起泡涂层失效 BLISTERING COATING FAILURE，其成因有很多可能性。因此，必须考虑涂装项目中的诸多实际因素，针对特定的涂层失效导致原因进行分析，相应地选择合理的缺陷修补方案，并采取有效的预防措施。
四. 定义 DEFINITION
常规标准针对起泡涂层失效的权威性定义：
GB 5206.5色漆和清漆 - 词汇 - 第五部分
涂料及涂膜病态术语
起泡 blistering，涂层因局部失去附着力而离开基底（底材或其下涂层）鼓起，使漆膜呈现似圆形的凸起变形，泡内可含有液体，蒸气，其他气体或结晶物。
ISO 4618:2014 Paints and varnishes — Terms and definitions
油漆和清漆 – 术语和定义
水泡blister 漆膜中的凸起变形，由一个或多个构成涂层的局部脱离引起的。
五. 类型TYPES
根据起泡涂层失效的发生机理，通常可以分为以下几种主要类型：（注：有关起泡缺陷修补的详细描述，可参阅本文中的附录）
起泡，冷墙效应 BLISTERING, COLD-WALL EFFECT
起泡，渗透效应 BLISTERING, OSMOTIS EFFECT
起泡，非渗透效应 BLISTERING, NON-OSMOSIS EFFECT
起泡，中间涂层 BLISTERING, INTERCOAT
起泡，阴极剥离 BLISTERING, CATHODIC DISBONDING
起泡，锈蚀诱导 BLISTERING, RUST-INDUCED
起泡，冷墙效应
BLISTERING, COLD-WALL EFFECT
描述：底部涂层局部失去附着力，导致干燥的漆膜中形成圆顶状突起或水泡。
可能的原因：涂层两侧存在温度差，即温度梯度，驱使水汽自涂层外侧（温热）的水溶液向涂层内侧（冷）的基材渗透，并在（冷墙）基材表面不断积聚，尤其是在防腐体系中底漆涂层与基材之间局部未充分润湿情况下（其间附着力较弱）。涂层与基材因水压逐渐增加而发生剥离并鼓起，形成涂层表面圆形的突起（水泡）；水泡发生破裂后，就会发生基材表面局部的早期锈蚀（腐蚀）。
注：冷墙效应所导致的起泡涂层失效，其暴露环境应该是处于水溶液浸没条件，和/或高湿度/严重冷凝的条件下，同时，基材与水溶液之间存在较为明显的温度差，而且水溶液温度高于基材表面温度，即负的温度梯度NEGATIVE TEMPERWATURE GRADIENT。
温度梯度TEMPERATURE GRADIENT：是指不良导热性的防腐涂层（给定干膜厚度下）两侧存在的温度差。负的温度梯度（冷墙效应），是指涂层外侧所接触的水溶液温度高于涂层内侧所接触的基材（例如，钢材）温度。温度梯度效应的机理如图2所示：
Temperature Gradient：温度梯度
Temp. steel：涂层（与钢材接触的）温度
Temp. water：涂层（与水溶液接触的）温度
D.F.T.：涂层的干膜厚度
起泡，渗透效应
BLISTERING,OSMOTIS EFFECT
描述：底部涂层的局部失去附着力，导致干燥的漆膜中形成圆顶状突起或水泡。
可能的原因：渗透性起泡通常与可溶性盐，可溶性颜料，可溶性腐蚀产物，残留溶剂或低分子量水溶性溶剂的吸附和滞留有关，也可能来自于接触的化学物品。
预防：确保正确的表面处理和施工，并遵循通风工作程序要求。在可溶性盐测试之后，涂覆一个合适的涂层体系。在特定环境中考虑不同起泡机理的发生可能性。
修补：根据水泡的大小和类型，除去局部或整个涂层系统，淡水清洗并进行修补或重涂。
起泡，非渗透作用
BLISTERING, NON-OSMOSIS EFFECT
描述：底部涂层的局部失去附着力，导致干燥的漆膜中形成圆顶状突起或水泡。
可能的原因：非渗透性起泡产生的原因包括电（内）渗，阴极剥离。出现电渗现象时，起泡通常是在涂层缺陷并暴露出基材的周围形成向心的圆形水泡状。(如图5所示)
预防：确保正确的表面处理和施工。在特定环境中考虑不同起泡机理的发生可能性后，涂覆合适的涂层体系。
修补：根据水泡的大小和类型，除去局部或整个涂层系统，并进行修补或重涂。
电（内）渗效应
ELECTROENDOSMOSIS
电（内）渗定义为因电势驱使水汽透过一个半渗透性薄膜。因为涂层通常带有负电荷，涂层中的一个小小破损区域的金属载有过量的电子，因此金属表面呈负电荷。水汽会透过涂层向阴极方向渗透。无论涂层中是否有破损，电渗发生的可能性都是存在的。电渗效应发生的机理如图6所示。
因电渗作用而发生的涂层失效最常见于涂层体系中还有阴极保护系统。在阴极保护系统中，由于阴极电位过高，导致地下管道涂层失效。船底的情况也是如此。这些情况大多是由于外加电流系统操作不当和失去控制所造成的。锌和铝阳极对大多数涂层不会产生有害的电位。事实上，只要涂层具有良好附着力，良好的介电强度，低的水汽传输率，以及 - 0.1伏以下的受控阴极电位，都可以获得优异的防腐保护。
对于涂层保护体系的成功与否任何强调水的影响作用都不为过。使用涂层对于一个基材表面进行保护时，水都会以各种形态存在。除了具有很强的渗透性对涂层产生影响外，水也可以作为一种腐蚀反应所必需的电解质。同时，水分也可以影响其他一些关键的涂层性能。
- 'Corrosionprevention by protective coatings’, 2nd Edition, Charles G. Munger
起泡，中间涂层
BLISTERING,INTERCOAT
描述：底部涂层的局部失去附着力，导致干燥的漆膜中形成圆顶状突起或水泡。
可能的原因：一般情况下，涂层之间或底部涂层表面被可溶性盐污染。
预防：如果怀疑表面有污染，应该对可溶性盐进行检测，必要时用淡水清洗表面。
修补：根据起泡的大小和类型，将起泡的地方或整个涂层系统，用清水清洗和修理或重涂。
起泡，阴极剥离
BLISTERING, CATHODIC DISBONDING
描述：裸露钢材区域，以及埋地管道，浸水结构和船体外壳的阴极保护所引起的（涂层缺陷周围的）涂层系统发生起泡和分层。
可能的原因：主要来自外加电流系统的过高电压，也有可能较短距离中牺牲阳极数量过多。错误安装/监测不良，涂层系统不配套等因素。
预防：使用精心设计的阴极保护系统，定期监测，放置参考电极并使用耐碱涂层系统。
修补：清除过度阴极保护源。喷砂处理受影响区域并涂覆合适的涂层系统。
起泡，锈蚀诱导
BLISTERING,RUST-INDUCED
描述：涂层体系底部的钢材发生锈蚀，涂层因而失去对于钢材表面的附着，自底部剥离而鼓起，形成圆顶状突起或水泡。
可能的原因：钢材表面发生氧化反应（锈蚀），其所生成的锈蚀物可能具有水溶性，如此加剧外部水汽透过涂层并在锈蚀部位不断积聚，最终鼓起漆膜形成水泡，最大可能水泡很快破裂从而加剧底部暴露钢材的进一步锈蚀。（锈蚀物的体积增大也会加剧涂层更为严重的突起。）
预防：正确进行表面处理和油漆施工，确保涂层体系与底部基材表面的良好附着。
修补：局部通过机械表面处理，彻底清除影响区域及周边，获得处理表面良好的清洁度（肉眼观察无可见的锈蚀物残留），选择合适的油漆配套进行良好的覆盖，并确保涂层体系的干膜厚度。
六. 评估 EVALUATION
ISO 4628-2:2016
Paints and varnishes— Evaluation of degradation of coatings — Designation of quantity and size of defects,and of intensity of uniform changes in appearance — Part 2: Assessment ofdegree of blistering
色漆和清漆 - 涂层老化的评定 - 缺陷的数量和尺寸，外观的均匀变化强度
第二部分：起泡等级的评定
ISO4628第二部分内容描述的是通过与此部分中的参考图片进行目测对比，以评定涂层起泡失效等级的一种方法。 此标准中的所示图片共包括4个水泡尺寸（2，3，4，5），每个尺寸又包括4个量化等级（密度）（2，3，4，5）。如下表1所示。 使用此标准中给出的参考标准图片，评定涂层中水泡的数量和尺寸。 如果检查区域有不同大小的水泡，请注明测试区域典型水泡的大小等级。 对照标准所示的参考图片，判断水泡的数量（密度）和大小以评级，结合相关区域的大致尺寸，或者水泡所占总测试面积的百分比，以百分比表示。譬如，
如果涂层评定的水泡数量为2，尺寸为2，即近似“图示2，a)”的外观等级，则报告应该表示为：
起泡；起泡等级 2(S2)
ASTM D 714-02
Standard Test Method for Evaluating Degree ofBlistering of Paints
涂料起泡等级的评定标准测试方法
此测试方法引用图片参考标准，对于涂料体系在一定条件下所发生的起泡缺陷程度进行评估。 此测试方法主要用于金属和其它非多孔表面，但如果起泡尺寸在这些参考表面的范围内，则此测试方法也可以用于多孔表面水泡。 当参考标准用作性能规范，买卖方应该确定涂料体系所允许的起泡等级。 针对起泡的尺寸评估，标准设定了5个等级，即10到0的数值范围，其中10表示没有水泡，起泡等级8表示肉眼容易观察到的最小尺寸，等级6，4，2表示水泡逐次增大尺寸程度。 针对起泡的频率评估，标准设定了4个等级，即Dense, D（密）；Medium dense, MD,（中等密）；Medium, M, （中等）以及Few, F（少）。 起泡的物理性定量描述包括以下实际因素所决定的特性： 测定单位的尺寸分布 单位面积发生的频率 表面分布的状态 水泡的形状对于常规测试， （实际评估情况应该更为复杂。） 根据买卖双方认可的测试条件，通过参考标准图片的对比评定涂层的起泡等级。 报告中的数字是指评估表面最大尺寸的水泡并且足以代表测试面的量化程度。根据图示的起泡尺寸和定性术语或者表示频率的缩写，记录表面的起泡等级。介于等级之间水泡或频率的一些情况，可以通过一些描述来加以判断。当水泡分布呈不均匀状态时，可以使用附加短语来描述具体情况。
涂层失效，起泡程度评估标准，ISO 4628-2与ASTM D714，之间评估等级的对应关系，如下表3所示：
七. 结论CONCLUSION
作为一种典型的涂层缺陷，起泡在其外观上差异不大，但是其成因可能包括很多可能性。在涂装项目的过程中，都应该在特定的施工环境，包括之后的暴露环境，全面考虑形成起泡失效的各种可能性，并做好完善的预防工作，以期避免不必要的损失。
通常，起泡缺陷的修补工作也是影响涂层体系服务寿命的重要因素。作为一条原则，起泡修复的结果不会对涂层系统的设计性能产生显著影响。
八. 附录 APPENDIX
有关涂层缺陷，水泡blisters的修补建议
涂层缺陷，水泡（blistering, blisters）的修补不能只是简单地考虑打磨/喷砂清理，必须按照严格的正确步骤/工艺进行。否则，最终的修补结果可能导致涂层存在潜在的再次失效的风险，甚至更差的结果。针对不同机理所导致的起泡涂层失效，应该正确地判断出其真正的成因，还需要考虑其他因素，例如，环境条件，结构位置，所处部位，处理设备，处理人工及其技能等，然后选择对应的，有效的修补方案。最终对修补/处理的结果进行检查和验收。
起泡，冷墙效应 BLISTERING, COLD-WALL EFFECT
因冷墙效应导致的起泡涂层失效，应根据其最终的失效程度以及水泡分布状态，针对影响区域进行修补：
a) 水泡状态1.，影响的表面分布着均匀而未破裂的水泡，如下图所示
建议：通过磨料喷砂处理方法，彻底清除表面出现水泡的区域至干净表面，在覆盖规范要求的涂层体系之前，彻底清洁表面并保持表面干燥；
原因：呈均匀分布的涂层缺陷，喷砂清理是最有效的处理方法，而逐个和/或局部（打磨）修补无法彻底有效处理缺陷，而且处理成本也可能远远高于整个表面的喷砂处理。
c) 水泡状态3.，影响表面的水泡破裂并出现早期锈蚀，如下图所示
建议：通过局部磨料喷砂清理方法（优先考虑），彻底清除锈蚀区域的破损涂层和锈蚀物，然后通过打磨手段羽化喷砂处理区域周边涂层，在清洁并干燥处理部位后，根据规范要求，刷涂各度涂层并获得足够的漆膜厚度。
原因：如果基材（例如，钢材）已经发生锈蚀，那么，即使表面外观看上去锈蚀程度不严重，但是，涂层下的锈蚀可能蔓延至周围更大区域。所以，必须彻底清除影响区域以及周边区域的涂层，确保修补的有效性和新涂层覆盖的完整性
起泡，渗透效应 BLISTERING, OSMOTIS EFFECT
因渗透效应导致的涂层起泡缺陷，主要包括三种成因，即涂层中含有可溶性颜料，涂层中有空泡滞留，基材（底层）表面残留可溶性盐。根据各发生机理，对影响区域进行合理的修补：
a) 缺陷发生机理1.，涂层中含有可溶性颜料，如右图所示
建议：这种与服务环境（水溶液浸没和/或高湿度，严重冷凝）不兼容的涂层体系应该通过合适的表面清理方法彻底除去，然后，选择与服务环境条件相兼容的涂层保护体系。
原因：当旧涂层仍然含有可溶性颜料而未进行清理，即使涂层表面貌似'完整’，如果继续暴露在浸没/高湿度/高冷凝的环境下，涂层体系还是存在发生“渗透性起泡失效”的潜在风险。
起泡，非渗透作用 BLISTERING,NON-OSMOSIS EFFEC
通常，非渗透性起泡大都呈局部性的缺陷形态，并且以圆弧状围绕着涂层的破损区域，因此其缺陷修补应该根据其实际的大小和分布情况选择合适的修补方法。
a) 电渗效应导致的涂层起泡失效，如右图所示
建议：这类的起泡缺陷修补与常规的修补工艺相似。但是，如果是阴极保护系统的过度阴极保护所导致的这类电渗效应起泡失效，则在涂层体系修补之外，还应该调整外接电流阴极保护体系（ICCP）的相关参数（例如，电池电流的电压设置），从根本上抑制这类电渗效应而导致的起泡缺陷。
原因：过外接电流阴极保护是指外接电池提供过量的电子输入到钢材，导致钢材呈负极（阴极），而加剧外部水汽渗入。无论哪种暴露环境，涂层都受到周围以各种形态存在的水的影响。