環(huán)氧樹脂和聚硅氧烷復(fù)合涂層在重工業(yè)污染區(qū)氣候下的腐蝕行為

王雄英，楊文靜，黎學(xué)明，劉麗丹，曹 淵，李安琪

(1.重慶大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401331；2.重慶市食品藥品檢驗檢測研究院，重慶 401121)

隨著經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，輸變電設(shè)備的壽命問題日益突出[1]。我國輸變電設(shè)備設(shè)施大多使用熱鍍鋅鋼材料，但熱浸鍍鋅在“重工業(yè)污染區(qū)”氣候條件下耐蝕性和耐候性較差，壽命短[2]。目前常用防腐方法有微弧氧化、表面涂覆防腐涂料和化學(xué)轉(zhuǎn)換等[3-5]。其中防腐涂料是應(yīng)用較廣泛的手段。環(huán)氧樹脂涂料具有附著力強、耐磨等特點；聚硅氧烷涂料具有優(yōu)異的低表面能、熱穩(wěn)定性、耐候性等特性[6]。H.Abd El-Wahab[7]、王霞[8]等人通過研究向環(huán)氧涂料中加入特殊添加劑，改善其化學(xué)性質(zhì)，提高其防腐性能。K.H.Wu，C.M. Chao[9]等人研究鋁合金表面聚硅氧烷涂層的熱穩(wěn)定性和耐蝕性，結(jié)果表明聚硅氧烷也具有強附著性、耐候性、耐蝕性等；兩者是金屬表面防腐首選的兩類涂料[10-14]。張穎懷[15]等采用EIS法測試了環(huán)氧樹脂/鋼體系在 3.5% NaCl 溶液中的電化學(xué)阻抗譜，提出了六種等效電路模型，系統(tǒng)研究了有機涂層/金屬體系性能與失效過程。

本實驗以涂有環(huán)氧樹脂體系和聚硅氧烷體系涂層的Q235鋼為研究對象，通過電化學(xué)測試,研究不同涂層體系在5% NaCl溶液中浸泡條件下的失效過程，同時結(jié)合金相顯微鏡(MM)等方法分析Q235鋼在不同的氣溫、降雨量、降雨pH值等復(fù)雜大氣環(huán)境中的表面腐蝕形貌。

1 實驗

1.1 材料

實驗基底材料為Q235鋼板，化學(xué)成分如表1所示。

表1 Q235鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

1.2 實驗方法

采用CHI660e型電化學(xué)工作站，Q235鋼為工作電極，用于實驗面積為1 cm2，鉑片作為輔助電極，Ag/AgCl作為參比電極，組裝成的三電極體系。極化曲線測量，掃描范圍為-200～+200 mV(vs OCP)，掃描速度為10 mV/s。電化學(xué)阻抗測試正弦波信號振幅20 mV；頻率范圍為0.01 Hz～100 kHz，測試前涂層浸泡15 min。實驗后，清洗試樣，利用金相顯微鏡(MM)進行試樣表面腐蝕形貌分析，放大倍數(shù)為200。

2 結(jié)果與討論

2.1 動電位掃描法對比涂層耐鹽蝕性能規(guī)律

圖1給出了經(jīng)處理過的防腐鋼材樣品的動電位極化曲線測量結(jié)果。采用 Tafel外推法求得的腐蝕電位Ecorr、腐蝕電流密度 Icorr以及極化阻抗 Rp 等腐蝕參數(shù)列于表2。

由圖1(a)和表2數(shù)據(jù)可知，隨著暴曬時間的增加，聚硅氧烷涂層處理過的Q235鋼腐蝕速率逐漸加快，腐蝕傾向先減小后增大，曝曬450 d腐蝕電流密度最大，為2.257 2×10-10A/cm2，腐蝕速度最快，涂層抗鹽腐蝕性比自然曝曬前降低了近3.8倍。

由圖1(b)和表2數(shù)據(jù)可知，隨著暴曬時間的增加，環(huán)氧樹脂涂層處理過的Q235鋼腐蝕速率變化性較小，腐蝕傾向先減小后增大，暴曬270 d時涂層擊穿，曝曬450 d時腐蝕電流密度達到最大，為1.044 6×10-10A/cm2，測得平均腐蝕電流密度為1.118 0×10-10A/cm2。

圖1 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時間下的Tafel曲線

2.2 交流阻抗法(EIS)對比涂層耐鹽蝕性能規(guī)律

圖2 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時間下的EIS曲線

圖2給出了經(jīng)處理過的防腐鋼材樣品的交流阻抗測量結(jié)果。采用Zview軟件擬合處理阻抗曲線，所得的電化學(xué)參數(shù)如表3所示。

由圖2(a)和表3數(shù)據(jù)可知，曝曬前極化阻抗為6.970 5×107Ω/cm2。90 d后，極化阻抗增加至3.134 7×108Ω/cm2。270～450 d時，極化阻抗隨時間的增加而減小。由上數(shù)據(jù)表明，隨暴曬時間的增加，Q235鋼腐蝕傾向先減小后增大。

由圖2(b)和表3數(shù)據(jù)可知，自然曝曬前極化阻抗為6.128 2×105Ω/cm2。90 d后，極化阻抗增加至1.294 5×107Ω/cm2，抗鹽腐蝕性能有所增加，耐腐蝕性能是腐蝕前的約21倍。曝曬180～450 d時，極化阻抗隨暴露時間波動變化，平均極化阻抗為5.155 0×106Ω/cm2。由上數(shù)據(jù)表明，隨著暴曬時間的增加，極化阻抗先增大后減小。

表3 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時間下的EIS曲線參數(shù)

2.3 對比氣候因素對涂層耐候性能影響規(guī)律

氣候條件一般包括氣溫、降雨量、降雨pH值等主要因素。分析大氣環(huán)境主要因素，對改善防腐性能極具有重要意義。

2.3.1 氣溫

圖3給出了Q235鋼在不同涂層、不同暴曬時間下腐蝕電流密度隨氣溫變化關(guān)系圖。

圖3 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時間下受溫度影響的腐蝕性能圖

Fig.3 Corrosion resistance diagram of Q235 with different composite coating is influenced by temperature in different atmospheric exposure days

由圖3(a)數(shù)據(jù)可知，氣溫的變化對于“重工業(yè)污染區(qū)”氣候條件下的聚硅氧烷涂層耐候性能影響較大，涂層的腐蝕電流密度隨氣溫波動而變動。氣溫增加時，涂層的腐蝕電流密度增加，涂層耐候性能降低，反之亦然。由圖3(b)數(shù)據(jù)可知，氣溫的變化對于“重工業(yè)污染區(qū)”氣候條件下的環(huán)氧樹脂涂層耐候性能影響不大，氣溫增加或減低對涂層的腐蝕電流密度影響較小。

2.3.2 降雨量

圖4給出了Q235鋼在不同涂層、不同暴曬時間下腐蝕電流密度隨降雨量變化關(guān)系圖。

由圖4(a)數(shù)據(jù)可知，降雨量的變化對于“重工業(yè)污染區(qū)”氣候條件下的聚硅氧烷涂層耐鹽腐蝕性能影響較小，涂層的腐蝕電流密度隨降雨量變化波動較小。但無論降雨量如何變化，涂層涂層的腐蝕電流密度均為上升趨勢，即涂層耐候性能隨暴曬時間的增多不斷降低。

由圖4(b)數(shù)據(jù)可知，降雨量的變化對于“重工業(yè)污染區(qū)”氣候條件下的環(huán)氧樹脂層耐候性能無較大相關(guān)性。但總體趨勢為，隨降雨量變動，涂層的腐蝕電流密度變化不大。

圖4 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時間下受降雨量影響的腐蝕性能圖

Fig.4 Corrosion resistance diagram of Q235 with different composite coating is influenced by rainfall in different atmospheric exposure days

2.3.3 降雨pH值

圖5給出了Q235鋼在不同涂層、不同暴曬時間下腐蝕電流密度隨降雨pH值變化關(guān)系圖。

圖5 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時間下受pH影響的腐蝕性能圖

Fig.5 Corrosion resistance diagram of Q235 with different composite coating is influenced by pH in different atmospheric exposure days

由圖5(a)數(shù)據(jù)可知，降雨pH值變化對于“重工業(yè)污染區(qū)”氣候條件下的聚硅氧烷涂層耐候性能影響較小，降雨pH值降低，耐候性能下降。

由圖5(b)數(shù)據(jù)可知，降雨pH值的變化對于“重工業(yè)污染區(qū)”氣候條件下的環(huán)氧樹脂涂層耐候性能影響不大。但隨降雨pH值變化，環(huán)氧樹脂涂層腐蝕電流密度相比與聚硅氧烷涂層腐蝕電流密度小1.3倍， 即環(huán)氧樹脂涂層耐候性能較好。

2.4 涂層表面腐蝕形貌對比

圖6 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時間下的腐蝕形貌圖

圖6給出了在重慶市“重工業(yè)污染區(qū)”110 kV變電站大氣環(huán)境條件下自然曝曬0～450 d后，兩種不同復(fù)合涂層處理過的防腐鋼材樣表面腐蝕形貌圖。

圖6(a)可知，環(huán)氧樹脂涂層試樣腐蝕前表面光滑，無明顯缺陷。曝曬90 d后表面形貌逐漸變化，曝曬180 d后表面開始出現(xiàn)裂紋，曝曬450 d后點裂紋內(nèi)部充滿腐蝕產(chǎn)物，環(huán)氧樹脂涂層顏色發(fā)生變化，且表面變粗糙。

圖6(b)可知，聚硅氧烷涂層試片腐蝕前表面有斑跡，其原因與試片曝曬前被污染有關(guān)，無明顯缺陷。自然曝曬90 d后表面形貌變化不大。但曝曬180～270 d后試片表面出現(xiàn)小孔和清晰可見的點蝕坑，蝕坑不規(guī)則，深度較大。自然曝曬450 d后，可能是由于生成的腐蝕產(chǎn)物聚集在基體金屬表面，抑制了陽極反應(yīng)的發(fā)生，聚硅氧烷涂層顏色有明顯變化。由此推測，隨著暴曬時間的延長，腐蝕反應(yīng)會再次加劇。

3 結(jié)論

電化學(xué)實驗結(jié)果表明：在5% NaCl溶液浸泡過程中，涂層有機物逐漸降解，使得涂層對金屬基體的保護性降低。環(huán)氧樹脂涂層體系平均腐蝕電流密度為1.118 0×10-10μA/cm2，平均極化阻抗為1.313 1×107·cm2；聚硅氧烷涂層體系平均腐蝕電流密度為8.602 0×10-9μA/cm2，平均極化阻抗為2.470 8×106·cm2。即環(huán)氧樹脂涂層較聚硅氧烷涂層有較好的耐鹽蝕性。

大氣腐蝕結(jié)果表明：降雨量變化與兩種涂層防腐性能相關(guān)性都不大。氣溫變化對聚硅氧烷涂層耐候性能影響較大，涂層的腐蝕電流密度隨氣溫波動而變動。氣溫增加時，涂層的腐蝕電流密度增加，涂層耐候性能降低，反之亦然；而對環(huán)氧樹脂涂層耐候性能影響不大，氣溫增加或減低對涂層的腐蝕電流密度影響較小。降雨pH值變化對兩種涂層耐候性能都有影響，降雨pH值降低，耐候性能下降。但隨降雨pH值變化，環(huán)氧樹脂涂層腐蝕電流密度相比與聚硅氧烷涂層腐蝕電流密度小1.3倍。即在450 d的實驗周期內(nèi)，在重慶市“重工業(yè)污染區(qū)”環(huán)氧樹脂涂層較聚硅氧烷涂層有較好的耐鹽蝕性，耐候性。