SF-522型氯化鉀鍍鋅添加劑及其鍍層性能

羅建成，莫燁強(qiáng)，詹益騰，胡明，黃啟明, *

（1.華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東高校電化學(xué)儲(chǔ)能與發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006； 2.廣州三孚新材料科技有限公司，廣東 廣州 510663）

1 前言

鍍鋅主要有熱浸鍍鋅、堿性鍍鋅、氯化鉀鍍鋅等[1-5]，因其具有成本低、耐蝕性好、美觀等優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用最廣并最具發(fā)展?jié)摿Φ谋砻嫣幚砑夹g(shù)。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)及相關(guān)法律法規(guī)的建立，堿性氰化物鍍鋅已被禁止。因此，尋求環(huán)境友好、耐蝕性能高的理想鍍鋅工藝成為廣大電鍍工作者的目標(biāo)。隨著近年來(lái)各種柔軟劑、光亮劑和相應(yīng)輔助光亮劑的問(wèn)世，酸性氯化鉀鍍鋅工藝取得長(zhǎng)足進(jìn)步[6-9]，并得到廣泛應(yīng)用，但其耐蝕性能與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有些差距，因此，開(kāi)發(fā)有利于制備高耐蝕性鋅層的添加劑意義重大。

本文探討了自主研發(fā)的SF-522 型高耐蝕氯化鉀鍍鋅添加劑的電化學(xué)性能，并與國(guó)外某添加劑進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)解決了氯化鉀鍍鋅層耐蝕性差，鍍液不穩(wěn)定、泡沫多等行業(yè)的共性技術(shù)問(wèn)題，提高了氯化鉀鍍鋅添加劑的綜合性能。SF-522 型添加劑主要由主光亮劑、低泡型載體光亮劑和助溶劑組成，主光亮劑為芐叉丙酮和鄰氯苯甲醛中的至少一種，低泡型載體光亮劑由非離子表面活性劑和非離子型有機(jī)硅表面活性劑組成。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 配方與工藝

KCl 200 g/L

ZnCl250 g/L

H3BO335 g/L

柔軟劑 30 mL/L 光亮劑 1.5 mL/L

pH 5.0～6.0

θ25 °C

t25 min

Jk2 A/dm2

所用試劑均為分析純，采用SF-522 型添加劑或國(guó)外某公司的進(jìn)口添加劑，鍍液用去離子水配制。采用電鍍級(jí)厚鋅板為陽(yáng)極，10.00 cm × 7.00 cm × 0.02 cm 的鐵板為基體材料，工藝流程為：打磨─除油(50 g/L NaOH，60 °C，5 min)─酸洗(10 mL/L HCl，5 min)─水洗─電鍍(空氣攪拌)─水洗─干燥─性能測(cè)試。

2.2 性能測(cè)試

電化學(xué)測(cè)試均在PGSTAT-30 電化學(xué)工作站(荷蘭Autolab)上進(jìn)行，采用三電極體系，均以鉑片為對(duì)電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。添加劑陰極行為的研究以鉑圓盤(pán)電極(0.02 cm2)為工作電極，電解質(zhì)溶液由35 g/L H3BO3、200 g/L KCl 組成。每次測(cè)量前先將工作電極用10 mL/L 稀鹽酸浸泡1 min，經(jīng)乙醇除油后，用蒸餾水沖洗。鍍層的電化學(xué)性能測(cè)試以暴露面積為0.785 cm2(d=1 cm)的鍍鋅層為工作電極，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaCl 溶液為電解質(zhì)。先將試樣在-1.2 V 下預(yù)處理5 min，再測(cè)量極化曲線，掃描速率為10 mV/s。

分別采用赫爾槽試驗(yàn)法、彎曲陰極法和內(nèi)孔法測(cè)定添加劑的光亮范圍、鍍液的分散能力和覆蓋能力；電流效率及沉積速率的測(cè)定通過(guò)計(jì)算鍍層的實(shí)際增重與理論增重得到[10]。鍍層結(jié)合力的測(cè)試采用熱震試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)2 種方法。熱震試驗(yàn)時(shí)，將試樣在200 °C 下烘烤1 h，取出后立即投入室溫水中，如此循環(huán)10 次。彎曲試驗(yàn)是將鍍好的試片反復(fù)彎曲至斷裂，觀察裂口處有無(wú)鋅層脫落。采用JSM-6510A 掃描電子顯微鏡(日本JEOL)觀察鍍層的表面形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 SF-522 型添加劑對(duì)鍍液性能的影響

圖1為2 種添加劑在無(wú)鋅基礎(chǔ)液(35 g/L H3BO3+ 200 g/L KCl)中的極化曲線。從圖1可知，不加任何添加劑時(shí)，隨電位負(fù)移，電流密度逐漸增大。-0.3～-0.6 V 區(qū)間，電流密度緩慢增大；-0.6 V 時(shí)電流密度的增大速率相對(duì)變快，說(shuō)明電極表面開(kāi)始發(fā)生緩慢的析氫反應(yīng)；-0.9 V 時(shí)電流密度迅速增大，此時(shí)析氫反應(yīng)明顯加快。與空白液相比，往基礎(chǔ)液中加入添加劑時(shí)，相同電位下的電流密度均減小，說(shuō)明添加劑的存在使陰極極化增強(qiáng).另外，含不同添加劑的極化曲線相近，說(shuō)明2 種添加劑在抑制析氫、增強(qiáng)極化方面的性能較接近。

圖1 含不同添加劑無(wú)鋅基礎(chǔ)液的陰極極化曲線Figure 1 Cathodic polarization curves for zinc-free basic bath containing different additives

含不同添加劑鍍液的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可知，鍍液中分別加入不同添加劑后，其光亮范圍、分散能力、覆蓋能力等相近，這就說(shuō)明2 種添加劑在鍍液中的性能相當(dāng)接近。

表1 含不同添加劑的鍍液性能Table 1 Properties of plating baths containing different additives

3.2 SF-522 型添加劑對(duì)鍍層性能的影響

3.2.1 鍍層耐蝕性

圖2為從含不同添加劑鍍液中所得鍍層在NaCl 溶液中的Tafel 曲線。

圖2 從含不同添加劑鍍液中所得鋅層在1% NaCl 溶液中的Tafel 曲線Figure 2 Tafel plots in 1% NaCl solution for zinc coatings prepared from plating baths containing different additives

從圖2可知，a點(diǎn)到b點(diǎn)是氫氣析出區(qū)；b點(diǎn)到c點(diǎn)是鍍層的活化溶解區(qū)，此階段鍍鋅層迅速溶解；c點(diǎn)到d點(diǎn)鍍層的極化電流變化減緩，這是因?yàn)殇\的氧化物附著在電極表面，減緩了樣品的溶解；d點(diǎn)到e點(diǎn)電極的氧化電流隨電極電位升高而急劇上升，說(shuō)明此時(shí)樣品的溶解速率增大。表2為圖2中Tafel 曲線擬合所得的對(duì)應(yīng)腐蝕電位(φcorr)、腐蝕電流(icorr)和陰極Tafel斜率(bc)。腐蝕速率通常采用腐蝕電流來(lái)表征，腐蝕電流的大小體現(xiàn)了腐蝕反應(yīng)的快慢。從表2可知，從含SF-522 型添加劑鍍液中得到的鍍層耐蝕性略好于從含進(jìn)口添加劑鍍液中得到的鍍層。

表2 圖2中Tafel 曲線擬合所得腐蝕參數(shù)Table 2 Corrosion parameters obtained from the fitting of Tafel plots in Figure 2

3.2.2 鍍層結(jié)合力

結(jié)合力測(cè)試表明，分別從含SF-522 型高耐蝕鍍鋅添加劑與進(jìn)口添加劑鍍液中所得鍍層均沒(méi)有起皮、脫落現(xiàn)象，均通過(guò)了熱震試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，鍍層結(jié)合力均合格。

3.2.3 鍍層表面形貌

鍍鋅層的機(jī)械性能取決于其微觀結(jié)構(gòu)，不同形態(tài)和結(jié)構(gòu)的鍍鋅層在化學(xué)、物理和機(jī)械性能方面存在極大的差異。由圖3可知，從含SF-522 型添加劑的鍍液中所得鍍層表面較平滑，只存在個(gè)別微孔；而從含進(jìn)口添加劑鍍液中所得鍍層表面較粗糙，且存在較多微孔，這可能是其腐蝕較快的原因。

圖3 從含不同添加劑鍍液中所得鋅層的SEM 圖Figure 3 SEM images of zinc coatings prepared from plating baths containing different additives

4 結(jié)論

(1) SF-522 型添加劑和國(guó)外添加劑在抑制析氫和增強(qiáng)極化方面的性能較接近，光亮范圍、分散能力、覆蓋能力等各項(xiàng)鍍液性能測(cè)試結(jié)果同樣表明2 種添加劑的性能相當(dāng)接近。

(2) 鍍液中添加SF-522 型添加劑時(shí)，所得鍍層的耐蝕性能略?xún)?yōu)于添加進(jìn)口添加劑。分別從含SF-522 型添加劑和進(jìn)口添加劑鍍液中得到的鍍層的結(jié)合力均合格。從含SF-522 型添加劑的鍍液中所得鍍層的表面較平滑，存在少量微孔。從含進(jìn)口添加劑鍍液中所得鍍層表面較粗糙，存在較多微孔。

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