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決定涂層防腐蝕性能最有效率的指標是什么？

2021-06-24 15:19:13 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

金屬材料表面與環境介質發生物理溶解、化學或電化學作用，引起材料結構破壞或功能退化的現象就是金屬腐蝕。腐蝕過程發展較為迅速，一旦在金屬表面上發生，便會迅速向縱深方向發展，加劇金屬材料性能破壞，進而給國民經濟、安全生產帶來不利影響。

根據金屬腐蝕原理，金屬的腐蝕方式通常分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕三類。其中電化學腐蝕是金屬表面原子同電解質溶液中的導電離子發生電化學反應而引起的腐蝕，包括一個或多個陽極氧化反應及陰極還原反應，并且金屬氧化失去的電子形成的電子流與電解質溶液中的離子流形成電路回路構成腐蝕電池。電化學腐蝕是三種腐蝕中最為常見的，也是危害性最大的腐蝕類型，金屬在潮濕的大氣、土壤以及海洋湖泊等的腐蝕均屬電化學腐蝕。

防腐涂料是一種簡易、高效的防腐方式，防腐蝕機理就是在金屬表面上形成隔離層，阻止其與氧氣、水和離子接觸或延長腐蝕介質的入侵路徑，從而起到防護作用。

涂層濕附著力作用機理

濕附著力是指涂層在吸水后所測得的附著力，涂層濕附著力是決定涂層失效的重要因素之一。在潮濕環境中，水分子會滲透到涂層/基材界面，形成連續或非連續水相，從而產生電化學腐蝕。

若水在界面處產生的側壓力強于濕附著力，造成部分金屬和涂層的結合鍵斷裂，自由水頂替掉原有的涂層，使局部金屬界面與滲透水進行接觸，那么電化學腐蝕的條件便形成了。一旦腐蝕發生便有金屬離子生成，從而增強局部微小體系電解質溶液的滲透壓，進而增強水的滲透作用而逐步引起涂層脫落。

另一方面，隨著腐蝕的發生，體系環境使樹脂中易水解的基團發生水解作用，致使涂層的濕附著力受到進一步破壞，造成大面積涂膜脫落，防護性能喪失。

反之，當濕附著力很好時，涂層與金屬基材的黏結強度良好，水相側向移動受阻，只能在原始位置積累，就有效阻止了水對金屬基材的破壞，延緩了涂層功能的喪失，防腐蝕效果優異。

濕附著力測試方法

將測試樣板浸泡在溫度為（40±0.5）℃的恒溫水浴中，每隔特定時間取出，用去離子水沖洗，并用濾紙快速吸干稱量，按GB/T 9286—1998標準進行劃格，然后用透明的壓敏膠粘帶在網格上方壓平，確保膠粘帶與涂層緊密粘結，再將膠帶迅速剝離，觀察涂層脫落情況，以此判斷出濕附著力級數。

不同成膜樹脂種類對涂層濕附著力性能的影響

為了探究不同種類成膜樹脂底涂濕附著力的性能強弱，采用雙組分水性環氧（1#）、雙組分水性聚氨酯（2#）以及雙組分水性丙烯酸（3#）所配制成的3種水性底漆，其涂層濕附著力的測試結果如下圖所示。

底漆濕附著力性能依次為：雙組分水性環氧＞雙組分水性聚氨酯＞雙組分水性丙烯酸。這是由于環氧及聚氨酯樹脂本身與金屬表面附著力強，且固化后涂膜致密性好的緣故。而環氧濕附著力性能優于聚氨酯，是由于環氧樹脂體系中含有較多的羥基及醚鍵，其對金屬具有更為優異的附著力；且環氧樹脂含苯環，故比較堅硬，同時又含有醚鍵便于分子間的旋轉，具有一定的韌性；環氧樹脂的交聯間距長，固化時體積收縮率低，內應力對附著力的破壞小，故附著力較好。

再者環氧體系抗化學品性能優良，相對聚氨酯樹脂而言，環氧樹脂中僅有烴基醚鍵，沒有易水解的酯鍵，進一步從結構上增強了環氧樹脂濕附著力性能，因而環氧樹脂的濕附著力性能為三者中最優。

不同水性環氧樹脂對濕附著力性能的影響

為了進一步優選濕附著力性能優異的樹脂，對3種環氧樹脂進行對比。

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由上圖可見，2#環氧樹脂所制的底漆吸水率小、濕附著力性能強，防腐蝕效果最好。

水性環氧樹脂中含有大量的經過開環形成或本身具有的羥基及醚鍵，這些基團具有強親水性，因此使用環氧樹脂制備的水性防腐底漆也具有一定的吸水性。

1#環氧底漆吸水率最大，且隨浸泡時間的延長有不斷增大的趨勢，這是由于水性環氧底漆的吸水速率和平衡吸水率主要由體系中自由體積和極性基團濃度所決定，自由體積越大，極性基團越多，吸水速率越快，平衡吸水量也越大。而2#環氧底漆吸水率及濕附著力性能略優于3#。

可以看出：涂層吸水率的大小在一定程度上反映了涂層濕附著力性能的強弱，但吸水率與濕附著力并不是一個簡單的線性關系，這取決于水在涂層中的傳輸行為。固化環氧樹脂存在高交聯密度區與低交聯密度區，高交聯密度區為球狀“鏈球”，鏈球包括基本鏈球（10 nm）和由基本鏈球組成的聚集鏈球，低交聯密度區為基體。鏈球鑲嵌在基體中，形成兩相結構。

依據環氧樹脂的吸水機理來說，水先進入低交聯密度區，這一步速度較快，很快可以達到平衡溶脹。然后在低交聯密度區存在的自由水或水簇，滲透到高交聯密度區，這一步的速度較慢。因此環氧涂層吸水率與樹脂交聯度及三維網狀結構有關，如果層間足夠致密，減緩自由水的滲透，因而吸水率低，對涂層濕附著力破壞小。

微納米水滑石對涂層濕附著力性能的影響

微納米水滑石是一種層柱狀雙金屬氫氧化物，由金屬離子與6個羥基構成的八面體結構，結構中部分M2+被M3+同晶取代而使層板帶正電荷，層間充填的陰離子起平衡電荷作用，經典結構如下圖所示：

微納米水滑石粒度小且表面有較多的親水基團，分散穩定性差，相互之間極易吸附而產生軟團聚，不能在涂料中均勻分散，還有可能在涂層中形成應力集中點，嚴重影響其在涂料中的添加量以及產品的綜合性能。利用γ-APS對微納米水滑石進行接枝改性，可提升其在涂料中穩定分散的能力，并利用水滑石本身較多的氫氧基團屬性，增強涂層的濕附著力性能。對比加入及未加入改性微納米水滑石的環氧底涂，濕附著力的測試結果如下圖所示。

可以看出，加入改性水滑石后的涂層濕附著力性能明顯優于未改性的。這是由于改性微納米水滑石加入到體系后，聚合反應將聚合物長鏈接枝到顆粒的表面，使填料同樹脂界面實現化學鍵合。水滑石的層柱狀雙金屬氫氧化物結構使得鍵合能力增強，交聯密度顯著增加，因此濕附著力得到提高。

不同顏基比對環氧涂層濕附著力性能及耐鹽霧性能的影響

為了探究底漆適宜的顏基比（PVC），制備了顏基比分別為5.5∶4.5、6.0∶4.0、6.5∶3.5、7.0∶3.0的環氧防腐底漆，其濕附著力及SEM測試結果如下圖所示。

隨著顏基比的增大，涂層濕附著力性能呈先增后減的趨勢，當顏基比為6.0∶4.0時最優，涂層浸泡9天后的涂層濕附著力級數≤2級。而在圖7中，隨著顏基比的增大，涂層微觀表面由致密變為疏松，顏基比為5.5∶4.5的涂膜致密性要優于6.0∶4.0，但其濕附著力性能則恰好相反，說明體系中顏填料的適量增加，一定程度上增強涂層的濕附力著性能。

涂層濕附著力性能與耐鹽霧性能呈正相關，涂層濕附著力性能依次為：6.0∶4.0＞6.5∶3.5＞7.0∶3.0＞5.5∶4.5，而耐鹽霧性能也依次為：6.0∶4.0＞6.5∶3.5＞7.0∶3.0＞5.5∶4.5，濕附著力性能好，涂膜對基材的附著力強于水在界面處產生的側壓力，那么水相側向移動受阻，只能在原始位置積累，有效阻止了水對涂層的破壞，因此延緩了涂層功能的喪失，使得防護作用優異。因此從濕附著力和耐鹽霧時間的對應關系上看，可以通過濕附著力的數據對涂層耐鹽霧性能進行初判，及時調整配方及工藝，提高研發效率。

結語

（1）水性涂料是綠色環保涂裝的主要方向，通過上述不同成膜水性樹脂種類、不同水性環氧、顏基比以及微納米水滑石改性對涂層濕附著力、吸水率以及耐鹽霧性能的影響試驗，可以看出濕附著力是影響涂層防腐蝕性能效率的要素。試驗對比得出環氧涂層濕附著力性能優于聚氨酯、丙烯酸體系。

（2）通過加入改性微納米水滑石可明顯增強環氧底漆的濕附著力性能，是一種提升環氧涂層耐鹽霧腐蝕性能的好方法。

（3）當顏基比為6.0∶4.0時所獲得的涂層濕附著力性能及耐鹽霧腐蝕性能優越。從環氧底漆濕附著力同耐鹽霧測試時間的對應關系上看，可以利用底漆濕附著力變化對耐鹽霧性能進行初判，利于及時調整配方及工藝。

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