直流雜散電流對環氧樹脂涂層浸泡失效的影響

,,

(中國民航大學，天津 300300)

環氧樹脂涂層良好的耐蝕性和環境友好性使其廣泛應用于長輸管道外的腐蝕防護，但是隨著服役時間的延長，其防護性能會逐漸下降。這一方面是由于水、氧氣等腐蝕性介質的滲透，并在涂層內部形成通道，另一方面是由于水分子在涂層與金屬界面逐漸形成一層水膜從而使涂層與金屬間的附著力下降，進而導致涂層失效[1-7]。此外，在管道運行過程中，由管道附近電氣化牽引系統及電焊設備產生的直流電流會部分流入管道，陰極保護設施產生的保護電流也會形成雜散電流流入管道，在電流流出管道的位置產生電化學腐蝕[8]。近年來的研究表明直流電流比交流電流造成的腐蝕傾向更加嚴重，并且隨著電流的增強，對金屬管道的影響越劇烈[9-11]。然而，目前的研究多針對電流對金屬管道的直接影響[12-14]，而對于整個涂層管道體系的影響還鮮有報道。

因此，本工作以環氧粉末涂層為研究對象，利用失重法、極化曲線和電化學阻抗譜技術，研究直流雜散電流強度、環境pH和Cl-含量對環氧粉末涂層浸泡失效的影響，為進一步探究環氧粉末涂層的失效規律和失效機理提供參考。

1 試驗

1.1 土壤模擬溶液

試驗介質為土壤模擬溶液，其化學成分為0.159 9 g/L Na2CO3，0.521 4 g/L NaCl，0.171 2 g/L Na2SO4，0.086 4 g/L NaHCO3。土樣取自天津某輸油管線處，將自然干燥后的土樣研磨，篩除大顆粒后，用蒸餾水按照土水質量比1∶2配制土壤懸濁液，離心20 min后，取上清液，滴定得到其化學成分，然后用去離子水配制成土壤模擬溶液。

1.2 涂層制備

將Q235鋼加工成φ8 mm的小圓柱體，用體積比3∶1的環氧樹脂和固化劑對其進行澆注封裝(僅露出圓形表面)，制成電極試樣。另將Q235鋼加工成50 mm×25 mm×2 mm掛片試樣。

用60號、120號、280號砂紙逐級打磨試樣表面，再將其放入200 ℃恒溫加熱爐中預熱10 min，然后采用靜電噴涂法將環氧樹脂粉末噴涂在試樣表面形成環氧樹脂涂層。涂層厚度控制在(150±10) μm，再將帶涂層試樣放入200 ℃恒溫爐固化20 min后，取出待用。環氧樹脂粉末采用酚醛改性固化劑，填料為硫酸鋇、硅微粉、碳酸鈣和云母粉。

1.3 浸泡試驗

用蜂蠟均勻涂抹掛片的邊緣和背面，以防止溶液從邊緣滲入涂層，并控制掛片的工作區域為2 cm×2 cm。試驗前對掛片進行稱量。

將MCH-305D-Ⅱ型直流電源與石墨電極連接并插入試驗介質中，用直流電源產生的直流電模擬直流雜散電流;將掛片浸入試驗介質中，按表1所示的試驗方案進行試驗，試驗時間為60 d。通過調節石墨電極之間的直流電壓(以下稱直流干擾電壓U)大小來改變雜散電流的強度，電壓越大，電流強度就越大；采用稀鹽酸調節試驗介質的pH；采用NaCl改變試驗介質中的氯離子含量。每組試驗采用3個平行樣，每隔一段時間取出掛片、沖洗干凈并擦干，然后稱量。根據涂層吸水前后掛片的質量差計算涂層的吸水量。

表1 各試驗方案的具體參數Tab. 1 Parameters of testing programs

1.4 電化學測試

電化學測試在CHI660D電化學工作站上完成。采用三電極系統，工作電極為制備的帶涂層電極，輔助電極為鉑電極，參比電極是飽和甘汞電極(SCE)。試驗裝置如圖1所示。先按表1所示條件對工作電極進行直流干擾，然后進行電化學測試。電化學阻抗譜測試頻率為0.1～100 kHz，激勵信號振幅為20 mV，為了減小由腐蝕電位漂移導致的測量誤差，同時提高測量的信噪比[1]，在電化學測量過程中斷開直流電源。采用Zsimpwin對電化學阻抗譜進行擬合。極化曲線掃描范圍是-500～200 mV。文中電位均相對于參比電極。

圖1 直流干擾下電化學測試系統的示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electrochemical test system under DC interference

2 結果與討論

2.1 吸水量

由圖2可知：環氧樹脂涂層在各個體系內的吸水量表現出相同的趨勢，即在浸泡前期環氧樹脂涂層迅速吸水，浸泡約20 d之后，環氧樹脂涂層吸水變得緩慢，并逐漸到達飽和狀態，吸水量Δm趨于穩定。

2.1.1 直流雜散電流的影響

由圖2(a)可見：對試驗體系施加直流干擾之后，吸水量明顯增加，并且直流干擾電壓越大，浸泡前期吸水速率越快，吸水量也逐漸增大，當直流干擾電壓為5 V時，吸水量最大。這主要是因為施加直流干擾之后，試驗體系內形成穩定的電場，電場會提高水分子的擴散活化能，使水分子更容易進入環氧樹脂涂層內部，并且與涂層高分子之間更加容易形成鍵；電場強度越強，這種現象越明顯。因此，施加直流干擾后，環氧樹脂涂層可以更加快速地吸水，并且吸水量也有所增大。

2.1.2 pH的影響

由圖2(b)可見：在直流干擾電壓為5 V情況下，環氧樹脂涂層在不同pH環境中的吸水量差異較小，在中性環境中吸水量最多，酸性和堿性環境中吸水量相對較小。在中性環境中，水分子的活性相對較高，因此水分子能進入更小的涂層高分子網格空間，吸水量較大；在酸性和堿性環境中，存在較多的H+和OH-，過多的H+和OH-會減小水分子的活性，使得吸水過程減緩。

2.1.3 Cl-含量的影響

由圖2(c)可見：在直流干擾電壓為5 V情況下，隨著環境中Cl-含量的提高，環氧樹脂涂層吸水量逐漸增大，但是當Cl-質量分數達到0.3%時，吸水量又有所減小。由于Cl-具有較強的穿透性，容易穿過環氧樹脂涂層，在其內部形成離子和水的通道，因此在Cl-含量較低的情況下，吸水量隨Cl-含量增加而增大。但是，當外界環境中Cl-含量較高時，為了維持涂層內外滲透壓的平衡，自由水會在反滲透壓的作用下向外擴散回到溶液，涂層外部Cl-含量越高，這種反滲透壓就越大，在宏觀上表現為涂層的飽和吸水量減少[15]。

(a) 方案A

(b) 方案B

(c) 方案C圖2 不同試驗條件下環氧樹脂涂層的吸水量隨時間的變化曲線Fig. 2 Relationship of water absorption with time for epoxy resin coating under diffierent conditions: (a) program A; (b) program B; (c) program C

2.2 極化曲線

2.2.1 直流雜散電流的影響

由圖3可知：無直流干擾時，自腐蝕電位Ecorr約為0.1 V，整個腐蝕體系不容易失去電子，環氧樹脂涂層對金屬起到了很好的保護作用；施加直流干擾后，隨著直流干擾電壓增大,自腐蝕電位逐漸負移，這說明在同一時間內，直流干擾越強，體系的腐蝕傾向越嚴重。

圖3 不同直流干擾電壓下環氧樹脂涂層的極化曲線(方案A)Fig. 3 Polarization curves of epoxy resin coating at different DC interference voltages (program A)

由表2可知：在沒有直流干擾情況下，腐蝕電流密度Jcorr極小，說明環氧樹脂涂層對基體金屬具有較好的保護作用。對體系施加直流干擾后，隨著直流干擾電壓U的增大，腐蝕電流密度增大，當直流干擾電壓增大至5 V時，其腐蝕電流密度比沒有直流干擾情況下增大了三個數量級，這說明在施加5 V直流干擾的體系中，溶液中的水、溶解氧及電解質離子在強電場作用下進入環氧樹脂涂層，使涂層性能劣化，對金屬基體的保護作用迅速減小；盡管如此，該體系的腐蝕電流密度仍然很小，環氧樹脂涂層仍然對金屬起到一定的保護作用。此外，陰極塔菲爾斜率βc和陽極塔菲爾斜率βa都隨著直流干擾電壓的增大而逐漸減小。塔菲爾斜率變小說明電極反應的阻力變小，腐蝕反應更容易進行。但是，陽極塔菲爾斜率減小的速率比陰極的快，使得陽極塔菲爾斜率與陰極塔菲爾斜率的比值減小，這表明腐蝕反應由陽極控制逐漸轉變成混合控制。在工作電極的反應過程中，其表面吸附聚集了大量的離子，電極表面帶電粒子的擴散變得遲緩，帶電粒子的移動速率跟不上陽極的溶解速率，因而減緩了陽極反應速率；隨著直流干擾電壓的增大，電場強度逐漸增大，導致溶液中腐蝕性離子加速移動，從而加速了陰陽極的反應，使得腐蝕過程變得更快。

2.2.2 pH的影響

由圖4和表3可知：在pH為7的中性環境中，自腐蝕電位最高，體系腐蝕傾向最低；pH為4時，腐蝕電流密度最大，說明該條件下環氧樹脂涂層被破壞得最嚴重，溶液滲入涂層內部引起界面基體金屬的腐蝕也最為嚴重。在中性和堿性環境中，腐蝕產物逐漸堆積，雖然不能在鋼表面形成致密的保護膜，但是可以降低電極反應的有效面積，也在一定程度上阻止腐蝕性離子的穿越，起到保護金屬基體的作用。同時隨試驗介質pH的增大，陽極塔菲爾斜率與陰極塔菲爾斜率的比值逐漸增大，腐蝕反應受陽極控制的趨勢增強，這主要是因為陰極去極化作用隨著pH的增大而減弱，陰極過程受到抑制所致。

表2 不同直流干擾電壓下環氧樹脂涂層極化曲線的擬合電化學參數(方案A)Tab. 2 Electrochemical parameters fitted from polarization curves of coating at different DC interference voltages (program A)

圖4 不同pH環境中環氧樹脂涂層的極化曲線(方案B)Fig. 4 Polarization curves of epoxy resin coating in environments with different pH values (program B)

pHEcorr/VJcorr/(μA·cm-2)βa/(mV·dec-1)βc/(mV·dec-1)βa/βc4-0.2561.637×10-14.7784.2501.1247-0.1534.756×10-24.8705.6811.1679-0.2126.912×10-25.3794.3191.245

2.2.3 Cl-含量的影響

由圖5和表4可知：隨試驗介質中Cl-含量的增大，自腐蝕電位逐漸負移，環氧樹脂涂層對金屬的保護作用逐漸減弱，腐蝕傾向越來越嚴重。此外，隨著Cl-含量的增大,腐蝕電流密度越來越大。Cl-含量越大,溶液滲透壓越高,加速了離子在環氧樹脂涂層中的傳輸，在涂層內形成了離子和水的通道，從而使涂層的屏蔽性能降低;另外含Cl-的溶液本身對環氧樹脂涂層分子層結構具有較強的破壞作用，Cl-含量越高這種作用越強，最終導致涂層失效越嚴重。Cl-含量越高，進入環氧樹脂涂層和金屬界面的Cl-越多，對金屬基體反應過程中形成的鈍化膜或者腐蝕產物膜的破壞作用也越強，使涂層無法對金屬基體形成保護作用，因此腐蝕電流密度較大。腐蝕反應仍然受陽極控制，并且隨著Cl-含量的增大，陽極控制的趨勢逐漸增強。

圖5 不同Cl-含量環境中環氧樹脂涂層的極化曲線(方案C)Fig. 5 Polarization curves of epoxy resin coating in environments with different Cl- concentrations (program C)

wCl-/%Ecorr/VJcorr/(μA·cm-2)βa/(mV·dec-1)βc/(mV·dec-1)βa/βc0-0.1097.348×10-45.9345.3891.1020.05-0.2126.912×10-25.3794.3191.2450.10-0.2541.025×10-15.5573.9821.3960.30-0.3168.673×10-14.7493.3741.408

2.3 電化學阻抗譜

圖6是環氧樹脂涂層在不同條件下的電化學阻抗譜，圖7為不同條件下電化學阻抗譜的等效電路。圖中，Rs表示溶液電阻，Rc表示環氧樹脂涂層電阻，Cc表示環氧樹脂涂層電容，Cdl表示雙電層電容，Rp表示基體腐蝕反應的極化電阻。擬合得到環氧樹脂涂層電阻參數如表5所示。

(a) 方案A

(b) 方案B

(c) 方案C圖6 不同試驗條件下環氧樹脂涂層的電化學阻抗譜Fig. 6 Electrochemical impedance spectroscopy of epoxy resin coating under diffierent conditions: (a) program A; (b) program B; (c) program C

由圖6(a)可知：在沒有直流干擾情況下，阻抗譜呈單容抗弧特征，此時環氧樹脂涂層相當于一個電阻很大、電容很小的隔絕層，體系的電化學特性可用圖7(a)所示的等效電路來模擬。對體系施加直流干擾后，隨著干擾電壓的增大，容抗弧半徑逐漸減小，當直流干擾電壓為3 V時，容抗弧呈現出來兩個時間常數，體系的電化學特性可用圖7(b)所示的等效電路來模擬。此時，電解質溶液滲透到涂層與金屬基體的界面并在界面區形成腐蝕反應微電池。其中與高頻端對應的時間常數來自環氧樹脂涂層電容和涂層表面微孔電阻的貢獻；與低頻端對應的時間常數則來自于界面的雙電層電容及基體金屬腐蝕反應的極化電阻的貢獻。當直流干擾電壓達到5 V，阻抗譜呈由擴散過程引發的Warburg阻抗特征，這是由于環氧樹脂涂層內含有顏料、填料等添加物導致的，體系的電化學特性可用圖7(c)所示的等效電路來模擬。由表5可知，隨著直流干擾電壓的增大，環氧樹脂涂層電阻下降了3個數量級，因此該涂層的防護性能明顯下降，失效情況也逐漸增多。

(a) 等效電路一

(b) 等效電路二

(c) 等效電路三圖7 不同試驗條件下電化學阻抗譜的等效電路圖Fig. 7 Equivalent circuits No. 1, No. 2 and No. 3 (a,b,c) of EIS under diffierent conditions

方案AU/V0135Rc/(Ω·cm-2)1.073×1086.729×1072.166×1063.267×105方案BpH479Rc/(Ω·cm-2)5.327×1053.185×1072.166×106方案CwCl-/%00.050.10.3Rc/(Ω·cm-2)6.124×1072.166×1061.194×1063.520×105

由圖6(b)和表5可知：在3V直流干擾電壓的中性環境中，容抗弧半徑遠遠大于其在酸性和堿性環境中的，酸性和堿性環境都會引發環氧樹脂涂層和基體金屬界面之間的電化學腐蝕，且在酸性環境中腐蝕反應更為劇烈。這是由于在堿性環境中隨著腐蝕反應的進行，生成的腐蝕產物積累在電極表面，一定程度上阻礙了反應的進一步進行，對金屬基體起到一定的保護作用。中性環境中體系的電化學特性用圖7(a)所示的等效電路來模擬，環氧樹脂涂層電阻的數量級達到107；酸性和堿性環境中體系電化學阻抗譜對應的等效電路如圖7(b)所示，此時環氧樹脂涂層電阻明顯減小，且酸性環境中的環氧樹脂涂層電阻比中性環境中的降低了2個數量級，涂層失效嚴重。

由圖6(c)和表5可知：在3 V直流干擾電壓下，隨著溶液中Cl-含量的增加，有更多的腐蝕性離子進入了環氧樹脂涂層內部，引發界面電化學腐蝕，腐蝕速率隨Cl-含量的增加而增大，涂層電阻也快速下降，對金屬基體的防護性能也隨之降低。Cl-具有較強穿透性的，會促使腐蝕反應不斷進行，加速環氧樹脂涂層失效。采用圖7(a)所示等效電路對未引入Cl-的體系進行擬合，當體系中加入Cl-后，其等效電路如7(b)所示，隨著Cl-含量的增加，環氧樹脂涂層電阻迅速減小，涂層和金屬基體之間的電化學腐蝕逐漸加劇，涂層失效情況加重。

3 結論

(1) 對環氧樹脂涂層施加直流雜散電流，會加快涂層失效。隨著直流干擾強度的增強，涂層吸水率增加，腐蝕電流密度增大，涂層電阻減小，防護性能變差，涂層失效程度加劇。

(2) 在直流干擾電壓為3 V的中性環境中，環氧樹脂涂層的吸水量最大，但在酸性環境中腐蝕電流密度最大，涂層電阻減小最快，涂層失效最為嚴重。

(3) 隨著Cl-含量的增加，環氧樹脂涂層的失效情況加劇，而吸水量呈現先增大后減小的趨勢。