0  引言

    鋼結構具有較高的強度、優良的機械加工性能，被廣泛應用于建筑領域，但是鋼鐵暴露在大氣中極易發生腐蝕，嚴重影響其力學性能和使用周期。因此，對于防止鋼結構腐蝕的技術研究具有重大意義。傳統的達克羅涂層是一種高防腐蝕性能的化學轉化膜，因其具有無氫脆，良好的耐候性，超強的耐蝕性、耐熱腐蝕性能而被廣泛使用。達克羅涂層中最主要的原料是鉻酐，由于鈍化、粘結的需要，涂液中含有約2% ~ 5%的六價鉻離子（Cr6+），造成嚴重的大氣污染并危害人體健康。近年來，隨著國家環保力度的加大，達克羅涂層的應用前景越來越窄，未來具有綠色環保型的水性無鉻鋅鋁涂層必將取代有機溶劑型的達克羅涂層。

    本試驗以高模數硅酸鉀溶液代替傳統鉻酐粘結劑，實現無鉻粘結，著重研究了硅烷偶聯劑種類和用量對顏料鋁粉包覆改性前后表面分析及緩蝕劑濃度對制備的鋅鋁涂層耐腐蝕性能的影響。

    1  試驗部分

    1.1  原料與儀器

    高模數硅酸鉀溶液：工業級，湖北鐵神化工有限公司；鱗片狀鋅粉（15~ 20μm）：分析純，江蘇科成有色金屬新材料有限公司；鱗片狀鋁粉（15~ 20μm）：分析純，章丘市黃河銀粉漿廠；磷鉬酸鈉（Na3PO4·12MOO4）：分析純，天津市盛鑫偉業貿易有限公司；硅烷偶聯劑（KH-550、KH-560、KH-570）：分析純，濟南金輝化工有限公司；硅烷偶聯劑（WD-60）：分析純，湖北武大有機硅新材料股份有限公司；甲醇、無水乙醇：分析純，天津市富宇精細化工有限公司。

    GS28-B電子恒速攪拌器：上海安亭電子儀器廠；DF-101S智能集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：上海東璽制冷儀器設備有限公司；SHZ-D（Ⅲ）型循環水式真空泵：武漢科爾儀器設備有限公司；DHG-9123A型電熱鼓風干燥箱：上海精宏試驗設備有限公司；JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡、X射線能譜分析儀（EDS）：金壇文華科教試驗儀器廠；電化學工作站：美國AMETEK公司。

    1.2  水性無鉻鋅鋁涂料的制備

    1.2.1  包覆改性鋁粉的制備

    （1）表面洗滌：稱取定量片狀鋁粉置于250mL燒杯中，加入無水乙醇充分攪拌，過濾烘干，以脫除顏料表面殘留的有機溶劑，待用。

    （2）硅烷水解：將硅烷、去離子水、醇（乙氧基硅烷KH-550選擇乙醇水解，甲氧基硅烷KH-560、KH-570、WD-60選擇甲醇水解）按一定質量比均勻混合，水浴恒溫加熱至40℃，靜置水解5 ~ 10 min。

    （3）包覆改性：稱取2g洗滌后的片狀顏料鋁粉，加入至硅烷水解液中，常溫攪拌0.5~ 1.0 h，用無水乙醇洗滌過濾，放入80℃烘箱烘干，即制得包覆改性處理后的鋁粉顏料。

    1.2.2  水性無鉻鋅鋁涂料的制備

    （1）稱取一定質量的顏料金屬粉，使Zn∶Al（改性后）質量比4∶1，混合均勻。

    （2）將上述金屬混合粉緩慢加入高模數硅酸鉀溶液中，并加入適量消泡劑等助劑，使得硅酸鉀溶液與金屬混合粉質量比為1.0∶2.5，充分機械攪拌1h，轉速500 r/min。

    （3）添加一定濃度梯度的緩蝕劑，繼續攪拌1 h，制得水性無鉻鋅鋁涂料。

    1.3  涂層制備

    基材表面處理：砂紙打磨→堿性除油→烘干→乙醇清洗。

    將制得的水性無鉻鋅鋁涂料均勻刷涂于經過表面處理的Q235鋼基上，采用兩涂兩烘進行涂覆：80℃預烘20 min，280℃烘烤40min。

    1.4  測試與表征

    使用JSM-6510LV型掃描電鏡（SEM）和X射線能譜分析儀（EDS）對改性鋁粉進行表面外觀形貌和表面元素分析。

    采用劃格法附著力儀，按照GB/T 9286—1998測定涂膜附著力；根據GB/T6739—2006測定涂膜的鉛筆硬度；根據GB/T 1731—1993測定涂膜的柔韌性；按照GB/T1732—1993測試涂層沖擊強度。

    采用電化學阻抗譜（EIS）評價水性無鉻鋅鋁涂層的耐腐蝕性能，測量頻率范圍為105~ 10-2Hz，測量信號為振幅10mV交流正弦波，以鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，鋅鋁涂層鐵板為工作電極，電解質溶液為質量分數3.5%的氯化鈉溶液。

    2  結果與討論

    2.1 硅烷偶聯劑種類和用量對改性鋁粉性能的影響

    不同種類的硅烷偶聯劑改性處理顏料鋁粉試驗結果和現象如表1和圖1所示。

    由圖1和表1可以看出，未改性的顏料鋁粉具有疏水性，無法分散在水性體系中，全部漂浮于水面；相比其他三種硅烷偶聯劑，而經WD-60表面改性后的顏料鋁粉，能大部分懸浮在水性體系中，親水性較好，光澤性略有降低但不明顯。本研究初步選用WD-60硅烷偶聯劑作為鋁粉顏料表面改性劑。

    硅烷偶聯劑用量對改性處理后鋁粉顏料性能的影響如表2所示。硅烷偶聯劑的用量以其在水解溶液中的濃度來表示。

    由表2可以看出，當硅烷偶聯劑含量較少時，顏料鋁粉部分漂浮于水面，因為WD-60未能完全包覆于鋁粉表面形成致密親水性包覆膜層；當WD-60含量較高時，鋁粉顏料發生部分沉淀，顏料光澤性明顯降低，因為顏料表面過多的硅烷偶聯劑發生縮聚反應導致團聚下沉。試驗現象表明：經用量為5%的WD-60硅烷偶聯劑包覆改性后的顏料鋁粉在水性體系中分散穩定性明顯提高，顏料外觀基本沒有發生變化。

    2.2  片狀鋁粉的表面分析與表征

    2.2.1  掃描電鏡（SEM）分析

    通過掃描電子顯微鏡（SEM）對表面改性前后的片狀鋁粉顏料進行微觀形貌表征，如圖2所示。

    由圖2可以看出，（a）為改性前的片狀鋁粉顏料，顏料表面較為光滑，外觀呈現無規則且大小不一的鱗片形。（b）為經5%WD-60硅烷偶聯劑包覆改性后的片狀鋁粉，與改性前的片狀鋁粉相比，顏料表面光滑度下降，鱗片表面有部分固態顆粒物且鋁粉顏料邊緣較為模糊。此結果表明：經硅烷偶聯劑改性后的顏料鋁粉表面形成了包覆膜層，實現了對片狀鋁粉的包覆改性。

    2.2.2  EDS能譜分析

    通過X射線能譜儀對包覆改性后的片狀鋁粉顏料表面元素進行分析，如圖3和表3所示。

    由圖3和表3可以看出，經WD-60改性后的鋁粉表面出現了硅元素的峰，說明在片狀鋁粉表面含有硅元素，表明包覆改性后的鋁粉表面確實包覆了一層有機硅烷膜。

    2.3  涂液中緩蝕劑濃度對涂層力學性能的影響

    考察涂液中磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度對制備的鋅鋁涂層力學性能的影響，如表4所示。

    由表4可以看出，涂液中磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度對涂層的鉛筆硬度和附著力無明顯影響；但隨著濃度的增大，涂層的機械強度急劇下降。這可能是因為磷鉬酸鈉的加入使顏料發生團聚，破壞了涂層的完整性。試驗表明當涂液中磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度為0.5%~ 1.0%時，所得涂層的綜合性能最好。

    2.4  涂液中緩蝕劑濃度對涂層耐腐蝕性能的影響

    分別將添加質量分數為0、0.5%、1.0%、1.5%、2%的磷鉬酸鈉緩蝕劑的鋅鋁涂層放置于3.5%氯化鈉溶液中，觀察5種樣品的Nyquist圖譜，結果如圖4所示。

    由圖4可以看出，當添加不同濃度梯度磷鉬酸鈉緩蝕劑后，各組涂層試樣的容抗弧半徑發生了不同程度的變化，但均大于空白組容抗弧半徑，并且隨著涂液中緩蝕劑濃度的增加，容抗弧半徑呈現先增大后減小的趨勢。當添加磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度為1%時，其容抗弧半徑最大，表明該濃度段緩蝕劑緩蝕效率最高，耐腐蝕性最好。

    3  結語

    1）經5%WD-60硅烷偶聯劑改性處理后的顏料鋁粉，其表面形成了親水性包覆膜層，在水性體系中分散穩定性較好，實現了對片狀顏料鋁粉的包覆改性。

    2）以高模數硅酸鉀代替傳統鉻酐粘結劑，鋅粉：鋁粉（改性后）質量比4∶1作為混合顏料，使得硅酸鉀溶液與金屬混合粉質量比為1.0∶：2.5，同時添加質量濃度為1%的磷鉬酸鈉緩蝕劑，以此制備的水性鋅鋁涂層，耐腐蝕性能明顯提高。

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責任編輯：王元

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