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(yàn)檢測(cè)研究院，重慶 401121)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，輸變電設(shè)備的壽命問(wèn)題日益突出[1]。我國(guó)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(qiáng)、耐磨等特點(diǎn)；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(guò)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(qiáng)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(cè)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(jī)涂層/金屬體系性能與失效過(guò)程。

本實(shí)驗(yàn)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(duì)象，通過(guò)電化學(xué)測(cè)試,研究不同涂層體系在5% NaCl溶液中浸泡條件下的失效過(guò)程，同時(shí)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(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)/%)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用CHI660e型電化學(xué)工作站，Q235鋼為工作電極，用于實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)試正弦波信號(hào)振幅20 mV；頻率范圍為0.01 Hz～100 kHz，測(cè)試前涂層浸泡15 min。實(shí)驗(yàn)后，清洗試樣，利用金相顯微鏡(MM)進(jìn)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(dòng)電位掃描法對(duì)比涂層耐鹽蝕性能規(guī)律

圖1給出了經(jīng)處理過(guò)的防腐鋼材樣品的動(dòng)電位極化曲線測(cè)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(shí)間的增加，聚硅氧烷涂層處理過(guò)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(shí)間的增加，環(huán)氧樹脂涂層處理過(guò)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(shí)涂層擊穿，曝曬450 d時(shí)腐蝕電流密度達(dá)到最大，為1.044 6×10-10A/cm2，測(cè)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(shí)間下的Tafel曲線

2.2 交流阻抗法(EIS)對(duì)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(shí)間下的EIS曲線

圖2給出了經(jīng)處理過(guò)的防腐鋼材樣品的交流阻抗測(cè)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(shí)，極化阻抗隨時(shí)間的增加而減小。由上數(shù)據(jù)表明，隨暴曬時(shí)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(shí)，極化阻抗隨暴露時(shí)間波動(dòng)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(shí)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(shí)間下的EIS曲線參數(shù)

2.3 對(duì)比氣候因素對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(dòng)而變動(dòng)。氣溫增加時(shí)，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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)較小。但無(wú)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(shì)，即涂層耐候性能隨暴曬時(shí)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(duì)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(wú)較大相關(guān)性。但總體趨勢(shì)為，隨降雨量變動(dòng)，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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)比

圖6 Q235鋼在不同復(fù)合涂層、不同暴露時(shí)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(guò)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(wú)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(diǎn)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(wú)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(jiàn)的點(diǎn)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(yáng)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(cè)，隨著暴曬時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕反應(yīng)會(huì)再次加劇。

3 結(jié)論

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在5% NaCl溶液浸泡過(guò)程中，涂層有機(jī)物逐漸降解，使得涂層對(duì)金屬基體的保護(hù)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(duì)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(dòng)而變動(dòng)。氣溫增加時(shí)，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(duì)環(huán)氧樹脂涂層耐候性能影響不大，氣溫增加或減低對(duì)涂層的腐蝕電流密度影響較小。降雨pH值變化對(duì)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(shí)驗(yàn)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。