国内外防腐蚀颜料发展调研报告.docx
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国内外防腐蚀颜料发展调研报告
国内外防腐蚀颜料发展调研报告
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前言
金属的腐蚀所造成的损失随着工业的发展也日趋严重。
因此，防腐蚀方法始终是人们关心的课题。
目前防腐蚀措施虽然很多，但应用最广的仍然是涂料保护方法。
在这种方法中防锈颜料是影响保护效果的重要因素。
传统的防锈颜料如红丹、铬酸盐、金属颜料等虽然性能优异但由于环保法规而受到限制，因而人们对低毒无公害防锈颜料的开发和研究更为关注。
以下将对国内外防腐蚀颜料的开发及应用情况作系统介绍。
1国内外防锈颜料的演变过程
1.1金属腐蚀
腐蚀是包含阳极反应的电化学过程，腐蚀反应中，金属以离子形式进入溶液，阳极反应释放电子，阴极捕获电子发生阴极反应，以维持溶液中离子的电中性电化学腐蚀反应的必要条件是：
（1）力学不稳定金属如钢铁；
（2）离子型电解质导体，水或其它导电溶液，氢离子或溶解氧等电子接受体。
因此，需要控制可利用的电解质，最好的方法是用涂膜屏蔽，或减少电子接受体如氢离子和溶解氧的浓度。
1.2传统防锈颜料
20世纪80年代前，防腐蚀涂料中防腐蚀颜料绝大部分采用含铅和铬的品种，包括红丹、黄丹、硅铬酸铅、铬酸锶、铬酸锌等。
80年代，由于1983~1989年间长达7年之久的全球性经济大繁荣，刺激了颜料工业的发展。
世界各地特别是北美和西欧环保法规和工业卫生条例日趋强化，一些有害于环境和生命的含铅、铬、镉等重金属颜料的生产，呈停滞不前和下降的趋势，表1列举了1984年美国和西欧的防锈颜料消费量。
表1美国和西欧防锈颜料消费量及其比例
颜料名称
美国
西欧
消费量/t
比例
消费量/t
比例
红丹
1350
3
19700
38
铬酸锌
5400
12
3640
7
铬酸锶
1800
4
1560
3
碱式硅铬酸铅
4050
9
高铅酸钙
锌粉
27000
60
19700
38
磷酸锌
1800
4
6240
12
云母氧化铁
其他
3600
8
1040
2
45000
100
52000
100
从表1可看出，西欧消费的防锈颜料中，有48%含有铅和铬，而美国仅有28%含有铅和铬，其中红丹用量很少仅占3%，相比之下日本防锈涂料采用红丹比例高达45%以上。
1.3环保
铅中毒是由酸溶性铅引起的。
所谓酸溶性铅是指在人体胃液的酸度条件下可以被溶解并被人体吸收的铅离子。
含铅汽车尾气、各种含铅颜料、工矿区的铅尘和铅烟以及铅含量超标的食品、含铅的涂膜等是这种铅离子的主要来源。
粗放式生产的铬酸铅颜料酸溶性铅含量（5%~10%）比精细加工的产品酸溶性铅含量（2%）大许多倍。
铅在人体的积累可能导致皮肤癌、皮肤过敏、神经肌肉功能障碍。
铬中毒则由六价铬引起。
铬在防锈颜料中也占相当大比例，所以限制含铬防锈颜料则如同铅颜料使用同样重要。
铅铬等重金属化合物对环境造成了严重污染，因此，世界各国相继推出法规逐步淘汰或全面禁止使用，尤其是铅的使用。
美国早在20世纪70年代就规定，玩具文具以及经常与人们（特别是儿童）接触的公用设施不允许使用铅化合物，甚至规定黄色路标漆中也不允许含铅。
2002年美国罗得岛州的铅涂料诉讼案牵动全球人的心。
该州州政府认为包括美国最大涂料公司Sherwin-Williams公司在内的8家大涂料公司应对几十年来其生产的含铅涂料使该州3.5万名儿童遭受铅污染负责。
但由于证据不足而列为“无效审判”，但充分显示政府为了限制铅涂料使用所作的不懈努力。
继罗德岛之后，芝加哥也宣布起诉涂料公司，铅颜料公司危害儿童健康安全。
美国宾夕法尼亚司法部迈克·费歇尔宣布，美国各州与国家油漆与涂料协会（NPCA）签署协议，将出台一新规定，在涂料产品包装上贴警示标签，提醒人们注意家装过程中可能受到铅的毒害。
费歇尔与来自45个州的司法部长共同参与了协议的签订，NPCA代表了400多家油漆制造商，占所有油漆制造商的95%。
美国于1995年禁止采用红丹作防锈颜料。
欧洲正停止使用具有不可逆毒性、残留时间长或在生物体内富集的化学品的使用。
日本环保局颁布了“环境保护基本法”，对175种有毒有害污染物的使用和排放做出了限制，对铅的使用和排放规定见表2。
表2日本对铅的使用和排放规定
法规
目标
有毒有害物质控制
限制特种铅化合物的使用及处理
铅化合物的使用
限制含铅涂料的生产、含铅涂膜的处理，防止危害工人卫生
防止大气污染
＜0.1mg/m3（以铅计，废物燃烧排放的废气）
防止水体污染
＜0.1mg/L（以铅计，废水）
与废物处理有关
埋于土壤中的可溶性铅3mg/L，今后将降至＜0.3mg/L
日本已出台实施绿色行动的专门指导方针，对含有重金属的有色无机颜料将被有机和混合颜料所替代。
我国铅污染状况不容乐观，红丹、黄丹生产中溶铅工序产生的含铅废渣、铅蒸气，大部分企业含铅蒸气超标3~17倍，铅尘超标8~13倍，职业病患率8%~40%。
我国目前虽无针对铅污染的法规，但人们对铅污染造成的危害已有认识，许多终端用户已开始关注含铅等重金属涂料的替代产品，众多颜料及涂料制造企业也已开始进行产品转型以满足市场的需求。
特别是中国加入WTO后，国外无毒型产品的涌入无疑将迫使国内企业加大技术、质保和环保方面的力度，以应对日趋激烈的国际竞争。
2国内外低/无毒防锈颜料的开发
2.1云母氧化铁
天然云母氧化铁（MIO），它作为一种有效的防护颜料已使用多年，由它制得的涂料广泛用于钢结构的长期保护，所适用的环境可以是乡村的户外到城市，污染的工业区以及所有最严酷的环境（全浸在水中、污染水中或埋入土中）。
法国的埃菲尔铁塔在一个世纪前就已采用这种涂料进行保护涂装。
云母氧化铁颜料的防锈机理，主要是利用它在涂料中定向排列成屏蔽层，能滞缓水汽及酸、碱、盐等腐蚀物质向底材渗透及对温度变化形变的能力，防止附着力下降起泡等缺陷。
要想获得最大的保护效果必须具有良好的层状结构和适宜的粒度分布。
但是，能有这种性能的天然“MIO”的资源很有限，主要有奥地利、南非、西班牙、澳大利亚以及我国的安徽铜陵叶山。
近年，英国的MPLC公司在其英格兰的开发中心对合成云母氧化铁的新方法进行开发研究，合成的MIO基本上是纯α-Fe2O3，具有特有的层状云母结构，而在外观及化学纯度上可与天然矿物相比。
生产合成MIO的大型工厂已在英格兰的达勒姆县建成，商标为Laminox。
其中LaminoxS粒度5~75μm，有较好的分散性和防腐蚀性，所得涂膜比用最好等级的天然产品形成的涂层光滑。
LaminoxF粒度＜15μm，通过使用它可抑制腐蚀促进剂离子的迁移，对湿底材附着力呈最佳状态，从而可减少气泡，使中间涂层对下一道涂层的附着力增加，并改善粘结性和漆膜完整性，使防腐蚀底漆的保护性能获得改善。
奥地利KarnterMantanindustrie股份有限公司生产MioxSF、MioxAS、MioxSG和MioxDB4个品种，产量在0.8~1万t/a。
另外，西班牙RomeroHermanos股份有限公司、南非GεBaseεIndustrialMinerals公司及澳大利亚Ausminter股份有限公司、美国胡佛颜料公司（天然）、德国Heubach生产长效防锈云母氧化铁。
我国生产云母氧化铁的企业主要有上海氧化铁颜料厂。
云母氧化铁在我国防腐涂料中多用作中间层，与醇酸、富锌底漆等配套。
2.2氧化铁红
氧化铁颜料化学成分简单，化学稳定性高、无毒，是化学惰性物质。
为适应市场需求，品种由黄、橙、红、紫、棕至黑，丰富多彩，性能各异。
其中氧化铁红有很好的耐热性，500℃也不变色，1200℃也不改变化学结构，耐稀酸、耐碱、耐水、耐溶剂，具有物理防锈功能，因此也常用作防锈颜料。
但由于其防锈性能很有限，将逐渐被高效防锈颜料替代或者只将其作为一种着色颜料使用。
国内外生产氧化铁红的厂家如表3所示。
在中国，有近80家企业生产氧化铁红，综合势力较强的20家，集中在浙、苏、沪。
主要生产厂家有浙江萧湘颜料化工有限公司、浙江德清华源颜料化工有限公司、上海氧化铁颜料厂、上海新申美颜料有限公司、宜兴市宇星颜料厂、常熟铁红厂有限公司、江苏启东鹤城氧化铁有限公司、湖南三环颜料有限公司、湖北虹宇化工有限公司、富阳金秋化工有限公司、新乡染化总厂、柳州跃进化工厂等。
2.3磷酸锌及改性磷酸锌
2.3.1磷酸锌
磷酸锌颜料于1959年前后由英国首先开发，日本在70年代后期开始使用。
磷酸锌的制法通常有2种：
直接法和间接法。
直接法：
ZnO与磷酸锌直接反应
3ZnO+2H3PO4+nH2O→Zn3（PO4）2·nH2O
间接法：
以锌盐（大多为可溶性锌盐如ZnCl2、ZnSO4等）与磷酸盐（K、Na、NH4+的磷酸盐或磷酸氢盐）为原料制备。
3Zn2++4HPO42-+nH2O→Zn3（PO4）2·nH2O+2H2PO4-+2PO43-+nH2O→Zn3（PO4）2·nH2O
表3世界氧化铁红主要生产厂家
国家
公司名称
备注
德国
Bayer公司
世界最大的氧化铁生产厂家，商标Beyferrox
美国
PfizerpigmentInc.
美国第一大合成氧化铁生产商
Mobaychemicalcorp
美国第二大合成氧化铁生产商，Bayer在美国的子公司
ColumbianChemicalsCo.
日本
アマティ株式会社
AmagasakiNails.,Ltd
ケミラィト工业株式会社
ChemiriteLtd.
西海工业公司
SaikaiKongyoCo.,Ltd.
田村弁柄制造所
钛工业公司
TitanKogyoKabushikiKaisa
户田工业公司
TodaIndustrialCo.,Ltd.
东洋色素工业公司
NibonBengaraCo.
日本弁丙（氧化铁）工业公司
三重颜料工业所公司
MieGanryoKogysho
利根产业公司
ToneIndustryCo.,Ltd.
森下氧化铁工业公司
MorishitaBengaraKogyoK.K
东邦颜料工业公司
TohopigmentIndustrialCo.,Ltd.
英国
DeanshangerOxidesLtd
英国最大一家合成氧化铁生产商Deanox
西班牙
CremadeyCompania
生产高档合成氧化铁红、黄、橙
Oxhinsa公司
商标Spanfei
意大利
SILO公司
商标Duploxide
法国
Chappelle公司
Cappoxyt
加拿大
NorthernPigment
磷酸锌颜料可将亚铁材料的腐蚀产物（它们在腐蚀性含水介质的作用下，在有机涂层的损伤中首先生成的产物）转化成实际上不溶的固体化合物，例如碱性的磷酸铁（III）锌，它们又使损伤堵塞。
磷酸锌的防腐蚀效果是树脂和颜料相互作用的结果，如与含羧基的苯丙分散体的作用，但也用于不含羧基的基料如聚丁二烯中。
磷酸锌颜料的防腐蚀能力也与pH有关。
在水性条件下，磷酸锌溶解度低，水解性差，防腐能力不高。
一些公司的工业化产品是Zn3（PO4）2·xH2O与ZnO或硅灰石的混合物。
磷酸锌的防腐蚀作用通常远低于铬酸锌或铅丹的作用，全面替代传统的有毒防锈颜料困难，特别在水性底漆中，即使超量加入也难以达到替代的目的，还不能克服“闪锈”问题。
磷酸锌颜料通常是四水合型，但也有二水合以及2种的混合体。
为此，世界各在在此方面作了许多改性工作并取得了进展。
2.3.2改性磷酸锌
标准磷酸锌的防锈性能不理想主要是因为防锈活性相对不足，因此必须进行改性，改性的方法有4种：
调整颗粒尺寸达到微细化，改变晶体颗粒形状；盐基化；化学改性；磷酸锌基组合颜料。
（1）调整颗粒尺寸达到微细化，改变晶体颗粒形状。
小粒径球形磷到锌已被证明是有效的替代产品，与传统的磷酸锌相比化学组成相同，但粒径和结构都存在重要差别。
球形磷酸锌为粒径1~5μm的均匀球形颗粒，而普通磷酸锌是粒径为12~20μm相对较粗的砖状粒子。
粒径小分布窄的球形磷酸锌能产生较大的表面积，因而能产生更大量的抑制性离子用于钝化底材，因而防腐性能优于铬酸锌，接近于铬酸锶。
生产这类产品的公司如表4所示。
我国微细化磷酸锌产品还未见有工业化产品。
（2）盐基化
为改进水合磷酸锌的活性，也可采有盐基化方法，如碱式水合磷酸锌Zn2（OH）PO4·2H2O，其性能达到了标准磷酸锌与铬酸盐拼用的水平。
表4微细化磷酸锌生产公司
国别
公司名
备注
美国
MineralPigment
J-0806粒径1~5μm主要用于薄膜防腐涂料
德国
Heubach
ZP-10平均粒径3μm
BASF
SicorZNP/M（CD）（80%＜3μm）
英国
JMB
Diraval-459（90%＜11.3μm）
TridentAlloy
商标Delaphos
法国
SNCZ
WO-20（97%＜20μm）
WO-40（78%＜20μm）
挪威
Waardals
ZP-BS（99%＜10μm）
Heubach公司有四种改性磷酸锌，现已应用数十年之久。
与普通磷酸锌相比，它们在颜料粒度、粒度分布和化学组成方面都有所改进，性能远优于标准磷酸锌，可与铬酸锌相比（表5）。
表5Heubach改性磷酸锌
牌号
成分
应用与性能
HeucophosZPA
磷酸铝锌水合物（Al改性）
在大多数漆料（醇酸、2K环氧、pH等）中有较好防腐蚀性，呈中性
HeucophosZPO
碱式磷酸锌水合物（有机物改性）
有很好防腐性能，特别是醇酸、2K环氧
HeucophosZMP
碱式磷酸锌钼水合物（钼酸盐改性）
在水性漆（苯丙乳液）中有极好性能
HeucophosZPZ
碱式磷酸锌水合物（有机/无机改性）
对未处理铝材和电镀锌附着力好，在2K环氧、水性醇酸、水性苯丙乳液中使用
（3）化学改性
化学改性是经表面包膜处理和进行本体掺杂处理，以增加新的阳离子或增加新的阴离子或同时增加新的阳和阴离子。
欧洲专利EP0634460（1995）及中国专利1103651披露了有机取代的膦酸（磷酸）或一种膦酸基羧酸的多价金属盐组成，它通过将膦酸基羧酸的5%饱和溶液或其水溶性盐与无机强酸的钙或锌盐一起加热，再从反应混合物中分离出膦酸基羧酸的钙/或锌盐。
EP0760387A1（1997）采用有机膦化合物的多价金属盐如2-羧基-2-膦酸羧基乙酸与一种共反应酸如磷酸、硼酸、片状硅酸盐形成中性或碱性化合物。
日本专利公开平5-345991介绍了在不需干燥程序过程制得的防锈颜料。
将一种金属的（氢）氧化物或碳酸盐与磷酸在非水溶剂中进行接触使之产生一种该金属的磷酸盐外壳。
金属氧化物质最好是CaO、MgO、ZnO、Fe2O3。
化学改性的其它例子如表6所示。
表6国外化学改性磷酸锌品种举例
国别
公司名
产品牌号
改性情况
德国
Heubach
HeucophosZPO
有机物表面化学改性碱式水合正磷酸锌
Heubach
HeucophosZPA
增加铝离子，另有增加Ca、K离子，改性物可以是邻苯二甲酸或其钼盐
Heubach
HeucophosZPZ
增加SiO32-
Heubach
HeucophosZMP
增加钼酸根离子（水性体系）
Heubach
HeucophosZCP
90年代开发正磷硅酸锶钙
法国
SNCZ
PhosphinoxPZ-06
性能优于铬酸锌
SNCZ
PhosphinoxPZ-04，PZ-02
英国
Waardals
WacorZBP-M/263
增加BO32-补偿PO43-的初期活性不足，可以取代铬酸锶
美国
Mineral颜料
F-0806
微细化磷酸锌薄膜化防腐优于铬酸锌接近铬酸锶
Sherwin-williams
Moly-whiteZNP
磷钼酸锌，用于高体分粉末涂料，吸油量低
Sherwin-williams
Moly-whiteMZAP
20世纪90年代开发，可用于水性丙烯酸乳液
Halox颜料
SEP-391
在水性底漆中活性很高
（4）磷酸锌基组合颜料
磷酸锌基组合颜料是颜料-颜料复合而成的。
如Mineral颜料公司，采用微细化磷酸锌与磷酸铁组合。
Waardals则用磷酸锌（ZP-BS）与硼酸锌（412M）组合，性能与铬酸锌相当，日本帝国化学公司用三聚磷酸铝（K-white系利）与磷酸锌组合可代替铬酸锌。
Cooksolaminox公司用液相沉积法将四水磷酸锌沉积在片状的合成云母铁LaminoxF上。
后一种技术，无需二种或二种以上不同类型防腐颜料结合使用就具有高防腐性，如EP0760387A1（1997年）公开的有机膦化合物的多价金属盐如2-羧基-2-膦酸羧基乙酸与一种共反应酸如磷酸、硼酸或片状硅酯盐形成中性或碱性化合物，综合性能（盐雾锈蚀、附着力损失、起泡）优于HeucophosZNP/M和HeucophosZMP、三聚磷酸铝（K-white84、K-white105、K-white140w）及钙交换的硅（ShieldexAC5）。
中国专利CN1147001A（Merk专利股份有限公司）公开了可用于溶剂型和水性涂料的防锈颜料，它由10%~80%（质量）有高电阻和显著耐化学品性的类片晶载体材料覆盖有金属氧化物及20%~90%优选40%~80%（质量）活性颜料如磷酸锌、硼酸锌和偏硼酸钙。
2.4三聚磷酸铝
三聚磷酸铝是日本帝国化工公司开发的一种新型防锈颜料，其商品名称为K-white，它的主要成分是三聚磷酸二氢铝（AlH2P3O10·2H2O）是一种固体酸，三聚磷酸铝可被渗进涂膜中的水溶解，按以述形式解离：
AlH2P3O4→Al3++2H++P3O105-
这种三聚磷酸盐离子（P3O105-）与腐蚀期间形成的三价铁反应，形成一种主要由三聚磷酸高铁组成的保护膜，这种保护膜不溶于水，硬度高，结合牢因而附着力好。
另外由于三聚磷酸铝是缩合型的，在水溶液中可以解聚，形成从焦磷酸盐到正磷酸盐这些低分子化合物，这样形成的新活性基可再与涂层表面形成极好的保护膜。
所以三聚磷酸铝具有双重防锈机理，而正磷酸锌则只有一步防腐蚀作用。
日本帝国化工公司已开发有三个品种性能及应用如表7所示。
表7K-white系列三聚磷酸铝的性能与应用
牌号
规格
性能及应用
K-white82
标准级
用于溶剂型底漆，在醇酸或环氧体系中有良好的抑制腐蚀作用
K-white84
用于水性底漆
K-white105
锌离子改性
微粉化程度高，可用于水性和溶剂型（高固体分/低固体分）
该公司通过对此发现，在溶剂型醇酸底漆中，三聚磷酸铝在防腐蚀性能和附着力方面与铬酸锌相当，比磷酸锌好；在氯化橡胶底漆中，性能优于铬酸锌和铬酸钙。
三聚磷酸铝虽具有良好的防锈作用，但在水性漆中贮存稳定性差，而磷酸锌虽具有良好的贮存稳定性，但防锈能力又很差，如果将三聚磷酸二氢铝的活性氢与NH3反应即可解决贮存稳定性（日本专利公开昭55-160059）。
日本专利公开平7-138775（1995）通过将三聚磷酸二氢铝与按特定配比加入ZnO、CaO混合就可以制得对抑制气泡产生能发挥优异作用的防锈颜料。
德国Heubach公司也推出了改性聚磷酸铝系列Heucophos系列，如表8所示。
表8改性聚磷酸铝系列的改性方法
牌号
改性方法
CAPP
SrO、CaO
SAPP
SrO
SRPP
SrO
ZAPP
ZnO
ZCPP
ZnO、CaO
国内生产三聚磷酸铝的生产厂家有广西化工研究院、河北新乐市新东化工厂、石家庄市鑫盛化工有限公司、陕西宝嘉应用化工有限责任公司、河南利诺生化有限责任公司等，其中的广西化工研究院推广力度较大，其品种有APW-I（溶剂型涂料）、APW-II（水性涂料）、ATP（纯品用于防火阻燃而耐热防腐涂料）以及APZ-99（使用性能略优于APW-I、APW-II，但细度更细从原来控制0.5%到0.1%~0.25%）。
2.5磷钼酸锌系列
钼酸盐具有优异的防锈性能，但成本高和配方中稳定性不佳，为此，美国Sherwin-Williams公司开发了第二代钼酸盐颜料磷钼酸锌和磷钼酸钙，新一代磷钼酸盐颜料比早期钼酸盐颜料在某些方面更优越：
（1）具有更大的成本效果；
（2）改进了在配方中的稳定性；（3）更优异的分散性能。
钼酸盐的防锈机理为：
活性钼配化合物（如钼酸锌或钼酸锌钙）沉积在相对较惰性的颜料载体（如ZnO、CaCO3）上，以更好地利用现有的钼从而降低原料成本。
防护作用是由于钼酸锌和钙化合物具有微溶性而钼酸盐离子在水性溶剂中具有抗腐蚀性，当含有钼酸盐的涂膜浸于水中或接触水时，少量的钼酸盐离子便游离于涂膜中，这些离子与金属底材表面反应促使附着氧化层的形成，该氧化层能防止底材底涂层的腐蚀，进一步计算为钝化。
磷钼酸盐颜料是磷酸盐和钼酸盐之间的协同反应而抑制腐蚀的机理。
磷钼酸锌盐（ZNP）适合于溶剂型涂料，但用于水性漆存在稳定性问题，因而开发了磷钼酸锌钙（MZAP）。
这2种颜料的物化性能如表9所示。
表9钼酸盐防锈颜料的物化性能
用于水性及溶剂型配方的防锈颜料
产品牌号
化学成分
密度
pH
吸油量
包核颜料
Moly-white212
钼酸锌钙
3.0
8.5
18.0
CaCO3
Moly-whiteMZAP
磷酸锌钙
3.0
8.0
18.0
CaCO3
Moly-white501
钼酸钙
2.9
7.8
15.0
CaCO3
溶剂型配方用防锈颜料
Moly-white101
钼酸锌
5.1
6.5
11.0
ZnO
Moly-white331
钼酸锌
5.3
6.5
11.0
ZnO
Moly-white92
钼酸锌
2.8
6.5
41.0
滑石粉
Moly-whiteZNP
磷钼酸锌
4.0
7.0
13.5
ZnO
为了优化在薄膜体系（如卷材涂料）中的性能，开发了微细化钼酸盐防锈颜料，干膜厚15μm，磷化板（防锈颜料用量80.3g/L），聚酯底漆经1000h盐雾试验性能与铬酸锶相当，比钼酸锌钙、三聚磷酸铝好。
该技术实际上采用了防锈颜料的复合技术，使总的防锈颜料含量降低到相当低的水平。
这就使制造有优异的防腐性能的高光泽涂料成为可能，开发出的磷钼酸锌和磷钼酸锌钙防锈颜料具有优异性能而且无需使用多种防锈颜料。
Datacolours公司也有类似的磷钼酸锌Actirox102、106，Habich公司有HabicorZM。
在国内尚无类似的技术产品。
2.6离子交换颜料
离子交换颜料是英国BP公司在其研究中心开发的一种独特的、有价值的低毒阻蚀颜料，这种颜料靠离子交换抑制腐蚀。
目前已由W.R.Gracce公司生产和销售，
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