新型環氧基極地船舶用破冰涂料低溫耐磨耐蝕性能研究

孫士斌¹, 史常偉¹, 王東勝², 常雪婷², 李明春³

1 上海海事大學物流工程學院 上海 201306

2 上海海事大學海洋科學與工程學院 上海 201306

3 海洋化工研究院有限公司 青島 266001

中國腐蝕與防護學報  2024, Vol. 44  Issue (5): 1177-1188

CSTR: 32134.14.1005.4537.2024.001

DOI: 10.11902/1005.4537.2024.001

摘要: 將改性后的玄武巖粉(BP)和云母粉作為填料，以環氧樹脂(EP)為基體開發了適用于極地船舶破冰區域使用的耐磨耐蝕復合涂層。鑒于冰區航行的海冰-海水摩擦腐蝕耦合作用使用條件要求，主要開展了涂層結合力、硬度測試，海水浸泡耐蝕性實驗以及不同載荷和溫度下低溫模擬冰載荷摩擦磨損實驗。實驗結果表明：隨著云母粉、玄武巖粉的骨料填料分別從10%(質量分數)增加到20%的變化，低溫復合涂層與基體的結合力從1級降低為2級，維氏硬度提高約20%，耐腐蝕性能得到相應提升，摩擦系數也呈現出減小的趨勢，耐磨性得到近50%的顯著提升，體現出耐磨減阻效果。此外，隨著溫度的降低，極地船用低溫涂層的磨損性能呈現先降低后增加的趨勢，磨損率從0.3151 mm³/(N·m)降低到0.0962 mm³/(N·m)后又增加到0.1949 mm³/(N·m)，在0℃環境時磨損率最小，耐磨性最好，說明溫度對涂層的耐磨性能影響較大。更佳的骨料含量比可以顯著的提升復合涂層的低溫耐磨性，磨損量更低。

關鍵詞：極地船舶,  涂料,  環氧樹脂,  低溫摩擦

圖1   2種BP/EP涂層劃痕測試后的表面形貌

Fig.1   Surface morphologies of BP-2/EP (a, c) and BP-1/EP (b, d) coatings after scratch test

圖2   2種BP/EP涂層浸泡前后的維氏硬度

Fig.2   Vickers hardnesses of two BP/EP coatings before and after soaking

圖3   BP/EP涂層電化學阻抗譜等效電路圖

Fig.3   Equivalent circuit diagrams of electrochemical impedance spectroscopies of unsoaked (a, b) and soaked (c) BP/EP coatings

圖4   2種BP/EP涂層在3.5%NaCl溶液中的Nyquist 圖

Fig.4   Nyquist plots of BP-1/EP (a) and BP-2/EP (b) coatings in 3.5%NaCl solution

圖5   2種BP/EP涂層在3.5%NaCl溶液Bode圖

Fig.5   Bode plots of BP-1/EP (a) and BP-2/EP (b) coatings in 3.5%NaCl solution

圖6   不同載荷下2種涂層分別與海水和海冰的摩擦系數曲線

Fig.6   Coefficient curves of friction between BP/EP coatings and seawater (a) or sea ice (b) under different loads

圖7   2種BP/EP涂層與海水摩擦后的磨痕形貌

Fig.7   Wear morphologies of two BP/EP coatings after friction test with seawater at 80 N (a) and 120 N (b)

圖8   2種BP/EP涂層濕摩擦后磨痕三維形貌圖

Fig.8   3D morphology diagrams of grinding cracks of BP-1/EP (a) and BP-2/EP (b) coatings after wet friction test

圖9   2種BP/EP涂層在-20℃~20℃范圍的摩擦系數變化曲線

Fig.9   Variations of friction coefficients of BP-1/EP (a, b) and BP-2/EP (c, d) coatings under 80 N (a, c) and 120 N (b, d)

圖10   2種BP/EP涂層在-20℃~20℃范圍平均摩擦系數隨溫度的變化曲線

Fig.10   Temperature dependences of average friction coefficients of two BP/EP coatings under 80 N (a) and 120 N (b)

結論：

(1) 云母粉、玄武巖粉的填料含量添加越多對極地低溫涂層與基體的結合力起到降低作用；

(2) 該新型環氧基涂料能夠滿足極地破冰船的基本使用需求，符合《極地船舶指南》中的關于涂層設計標準：具有高附著力、耐剝落、耐腐蝕和低摩擦特性的耐磨涂層(聚氨酯和環氧型)。雖然增加填料含量能夠顯著提升涂層的耐腐蝕性能，但是在通過冷凍浸泡后，較多填料含量的BP-2/EP涂層的耐蝕性下降較為明顯，主要是因為水分子與腐蝕介質的擴散導致內部反應活性加快，擴散速率加快，加劇腐蝕效應；

(3) 在海水環境中，硬質填料的添加量越多，涂層的耐磨性較好，但是隨著載荷的增加，其耐磨性能也會降低；

(4) 隨著溫度的降低，制備極地船用低溫涂層的磨損性能呈現先降低后增加的趨勢，在0℃環境時磨損率最小，耐磨性最好。隨著溫度的進一步降低，磨損率都存在著相應的增大現象，耐磨性減弱，BP-2/EP極地船用涂料的耐磨性能要優于BP-1/EP涂層。

本文引用格式：

孫士斌, 史常偉, 王東勝, 常雪婷, 李明春. 新型環氧基極地船舶用破冰涂料低溫耐磨耐蝕性能研究. 中國腐蝕與防護學報[J], 2024, 44(5): 1177-1188 DOI:10.11902/1005.4537.2024.001

SUN Shibin, SHI Changwei, WANG Dongsheng, CHANG Xueting, LI Mingchun. Low Temperature Wear and Corrosion Resistance of Epoxy Based Polar Marine Ice Breaking Coatings. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2024, 44(5): 1177-1188 

DOI:10.11902/1005.4537.2024.001