適用于酸雨地區(qū)的防腐涂層配套體系性能研究

徐利民 *，陳云，孔曉峰，王斌，陳新

（1.國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102401；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321017）

在重工業(yè)污染地區(qū)的大氣中含大量硫氧化物、氮氧化物等氣態(tài)氧化物，酸雨比較嚴(yán)重，每年都會(huì)因此造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。在酸雨作用下，輸變電設(shè)備的腐蝕迅速而強(qiáng)烈：部分鐵塔塔材因銹蝕穿孔甚至斷裂，腳釘、螺栓、金具強(qiáng)度降低，地線多次斷股斷線。這些都給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。因此，輸變電系統(tǒng)必須采取有力措施來(lái)控制腐蝕，而這些措施中，防腐涂料使用簡(jiǎn)便，適用范圍廣，能滿足構(gòu)型復(fù)雜的設(shè)備的要求，易維修重涂，防腐蝕性能優(yōu)良，但質(zhì)量參差不齊，其選擇就顯得尤為重要。本文通過(guò)交流阻抗技術(shù)(EIS)[5-7]、人工耐老化試驗(yàn)等評(píng)價(jià)了5 種復(fù)合涂層配套體系在模擬酸雨溶液中的耐蝕性，可為酸雨地區(qū)腐蝕環(huán)境中輸變電鐵塔涂料防護(hù)體系的選擇提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層制備

從現(xiàn)有涂料中篩選出5 種涂料體系，編號(hào)列于表1，并施涂至鍍鋅鋼板(150 mm × 75 mm × 3 mm)表面，底漆、面漆各2 道共(200 ± 20) μm，膜厚如表1 所示。按照GB/T 1728–1979(1989)《漆膜、膩?zhàn)幽じ稍飼r(shí)間測(cè)定法》，每道漆膜表干后，在恒溫恒濕[(23 ± 2) °C，相對(duì)濕度50% ± 5%]下干燥24 h，施涂下一道漆膜，待第二道面漆表干，在恒溫恒濕下干燥7 d，封邊，進(jìn)行測(cè)試。涂裝前用砂輪打磨鍍鋅鋼板，表面等級(jí)處理至St3，用丙酮和乙醇分別清潔后干燥備用。

表1 5 種防腐涂料體系基本情況說(shuō)明Table 1 Information about the five kinds of coating system

1.2 模擬酸雨溶液的配制

模擬酸雨溶液的離子濃度[8]如表2 所示，pH 為4.7。

表2 模擬酸雨溶液組成Table 2 Composition of the simulated acid rain solution

1.3 涂層體系表征與性能測(cè)試

1.3.1 耐蝕性

(25 ± 5) °C 下，將試樣浸泡在制備的酸雨溶液中，在浸泡的不同階段，定期取出試樣測(cè)試電化學(xué)阻抗譜(EIS)。用德國(guó)Zahner 公司的Zennium 電化學(xué)工作站，采用三電極體系，其中工作電極為涂覆涂層的試樣(1 cm × 1 cm)，參比電極為Ag/AgCl 電極，對(duì)電極為鉑絲電極。在開路電位下測(cè)，頻率10-2~106Hz，交流正弦波信號(hào)的幅值為50 mV。

1.3.2 耐老化及耐酸霧性能

依照GB/T 1865–2009《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射曝露(濾過(guò)的氙弧輻射)》進(jìn)行人工氣候老化試驗(yàn)。使用Singleton 公司的CCT10C-MB-8AD 腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行酸霧試驗(yàn)。酸性鹽霧噴霧介質(zhì)為0.01 mol/L NaCl與0.10 mol/L NaHSO3的混合溶液(pH ≈ 4.8)，試驗(yàn)箱溫度為(35 ± 1) °C，采用間歇式噴霧，噴霧8 h 后自然干燥16 h 為1 個(gè)試驗(yàn)周期[9]。按GB/T 1766–2008《色漆和清漆 涂層老化的評(píng)級(jí)方法》評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果。

1.3.3 表面形貌

使用日立S-4800 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配套涂層體系的EIS 特征

圖1 為hn-1、hn-2、hn-3、hn-4 和hn-5 涂層體系在模擬酸雨溶液中0 h、20 d 和120 d 時(shí)的Nyquist 圖。

圖1 5 種涂層體系在模擬酸雨溶液中不同浸漬時(shí)間下的Nyquist 圖Figure 1 Nyquist plots for the 5 kinds of coating system immersed in simulated acid rain solution for different time

如圖1a 所示，5 個(gè)涂層未浸泡時(shí)，Nyquist 圖表現(xiàn)為一條直線，阻抗模值均在108Ω·cm2以上，此時(shí)涂層對(duì)介質(zhì)而言是一個(gè)很大的阻擋層，可有效阻擋溶液透過(guò)，保護(hù)金屬基體免受腐蝕。

涂層體系在模擬酸雨介質(zhì)中的破壞過(guò)程是物理與化學(xué)作用的綜合結(jié)果。首先介質(zhì)分子滲透、擴(kuò)散進(jìn)入涂層內(nèi)部，與高分子鏈段相互作用，破壞了高分子次價(jià)鍵，使涂層溶脹、軟化，涂料中的助劑溶解、溶出，降低了涂層與基材的結(jié)合力，同時(shí)酸雨活性介質(zhì)分子與高分子鏈中的活潑基團(tuán)發(fā)生水解、氧化等化學(xué)反應(yīng)，高分子主價(jià)鍵被破壞、裂解，涂層被破壞從而喪失保護(hù)性能。從圖1b 可知，20 d 后，hn-1、hn-2 和hn-3 涂層的阻抗模值開始降低，耐蝕性下降，而hn-4 和hn-5 仍保持了較高的阻抗模值。

由圖1c 可見，在模擬酸雨溶液中浸泡120 d 后，hn-4 涂層仍保持為一條直線，阻抗模值仍在108Ω·cm2，表明該涂層體系仍具有較好的阻擋酸雨介質(zhì)透過(guò)的能力。該涂層是環(huán)氧/聚硅氧烷體系，有機(jī)硅樹脂主鏈由Si─O鏈節(jié)組成，側(cè)鏈則為其他各種有機(jī)基團(tuán)，因此，有機(jī)硅樹脂中既有有機(jī)結(jié)構(gòu)，又有無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)。Si─O 鍵中2 種原子的相對(duì)電負(fù)性相差很大，因此Si─O 鍵極性大。由于以上原因，有機(jī)硅樹脂兼具有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的雙重特性，具有優(yōu)良的耐候性、耐熱性、抗酸雨性等性能[10]。hn-1、hn-2 涂層的阻抗模值已降到102Ω·cm2，說(shuō)明它們已基本失去抵抗腐蝕介質(zhì)透過(guò)的能力，腐蝕介質(zhì)能很快通過(guò)涂層到達(dá)金屬界面，引起腐蝕。對(duì)于聚氨酯涂料，由于酯基極性大，易受極性介質(zhì)的進(jìn)攻，發(fā)生水解反應(yīng)，造成聚酯斷裂降解，特別是在酸或堿的參與下，水解更易進(jìn)行，致使涂層被破壞，喪失保護(hù)性能。對(duì)于氟硅涂料體系，有機(jī)氟樹脂對(duì)顏填料的潤(rùn)濕性差，在酸雨浸泡過(guò)程中，顏填料和助劑易溶出，導(dǎo)致涂層的阻隔性能降低。

在5 種配套涂層體系中，hn-4 體系的防酸雨滲透性最佳，hn-1 體系的防酸雨滲透性最差，優(yōu)劣順序?yàn)椋篽n-4 >hn-5、hn-3 > hn-2、hn-1。

2.2 耐人工氣候老化試驗(yàn)

涂層體系經(jīng)過(guò)1 000 h 人工氣候老化后進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3 所示，圖2 為涂層拉拔測(cè)試照片。

表3 1 000 h 人工氣候老化后涂層性能的檢測(cè)結(jié)果Table 3 Performance test results of coating systems after artificial weather aging for 1 000 h

圖2 1 000 h 人工氣候老化的涂層拉拔測(cè)試后的照片F(xiàn)igure 2 Photos of coatings suffered from artificial weather aging for 1 000 h and drawing test

結(jié)果表明，5 種涂層體系均無(wú)起泡、剝落、裂紋、粉化現(xiàn)象。hn-1、hn-4、hn-5 發(fā)生很輕微變色，hn-2、hn-3發(fā)生輕微變色。hn-4 經(jīng)過(guò)1000 h 人工氣候老化后，在拉拔力達(dá)7.38 MPa 時(shí)，面漆脫膠，表明底漆與基材之間、面漆與底漆之間的結(jié)合力依然較大，該涂層配套體系對(duì)基材仍有較好的保護(hù)作用，耐人工氣候老化性良好。hn-1、hn-3 和hn-5 體系的部分面漆與底漆層間剝離，底漆未破壞，表明面漆發(fā)生老化，底漆未發(fā)生老化或老化輕微，仍具有較好的防護(hù)性能。hn-2 在拉拔力達(dá)到2.72 MPa 時(shí)，大部分底漆與基材脫離，表明底漆已老化，其附著力大幅降低，在所選涂料體系中耐人工氣候老化性最差。

2.3 耐酸霧試驗(yàn)

涂層體系經(jīng)過(guò)1 000 h 酸霧腐蝕后進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，5 種涂層體系均無(wú)變色、起泡、剝落、生銹現(xiàn)象。hn-4 的附著力為7.35 MPa，依然較大，涂層與底材結(jié)合較好，對(duì)底材具有良好的保護(hù)作用，說(shuō)明hn-4 的耐酸霧腐蝕性良好。hn-5 的附著力也較大，耐酸霧性也較好。hn-2 經(jīng)過(guò)1 000 h 酸霧腐蝕后附著力降為3.79 MPa，耐酸霧腐蝕性一般。hn-1 和hn-3 的附著力下降最大，耐酸霧腐蝕性最差。

表4 1 000 h 酸霧腐蝕后涂層性能的檢測(cè)結(jié)果Table 4 Performance test results of the coating systems after 1 000 h acid mist corrosion

2.4 模擬酸雨溶液浸泡后涂層體系的形貌

圖3 為涂層體系在模擬酸雨溶液浸泡120 d 后的掃描電鏡照片。從圖3 可見，hn-1 和hn-2 涂層體系破壞最嚴(yán)重，hn-1 表面孔隙最大，hn-2 表面也有大量孔隙，腐蝕介質(zhì)可自由透過(guò)腐蝕底材，涂層已基本失去保護(hù)作用，說(shuō)明其耐酸雨性最差。hn-3 和hn-5 涂層體系上也可見少量孔隙，但比hn-1、hn-2 的孔隙小，對(duì)底材仍有一定的保護(hù)作用，耐酸雨性較hn-1、hn-2 要好。hn-4 的孔隙率最小，保護(hù)作用最強(qiáng)。在5 種涂料體系中，hn-4 的耐酸雨性最好。

圖3 不同涂層體系在模擬酸雨溶液中浸泡120 d 后的掃描電鏡照片F(xiàn)igure 3 SEM images of different coating systems immersed in simulated acid rain solution for 120 days

3 結(jié)論

在選擇的5 種涂層配套體系中，防酸雨滲透腐蝕性優(yōu)劣順序?yàn)椋涵h(huán)氧涂料 + 氟硅氧烷涂料 > 環(huán)氧涂料 +氟硅涂料、環(huán)氧涂料 + 聚氨酯涂料 > 環(huán)氧涂料 + 氟硅丙烯酸涂料、低表面處理環(huán)氧涂料 + 丙烯酸改性聚氨酯涂料。環(huán)氧底漆/硅氧烷面漆體系具有較好的防酸雨滲透腐蝕性、耐人工氣候老化及耐酸霧性能，孔隙率和均勻性也好于其他涂層體系，適用于酸雨地區(qū)輸變電設(shè)備。

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