鍍鋅鋼構(gòu)件涂層抗腐蝕性能試驗(yàn)及研究★

邵建軍 王榮華 汪嘉偉 李奇昱 侯開(kāi)儒 張大長(zhǎng)

(1.鹽城電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 鹽城 224002； 2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

輸電桿塔大都架設(shè)在空曠的野外，包括森林山區(qū)、沿海地區(qū)、污染嚴(yán)重的重工業(yè)區(qū)等。由于長(zhǎng)期運(yùn)行于戶外露天環(huán)境，輸電鐵塔承受著不同程度的自然條件侵蝕，塔材腐蝕逐年加重，如圖1所示。長(zhǎng)期以來(lái)，為了防止腐蝕的發(fā)生，工程上采用多種技術(shù)對(duì)金屬構(gòu)件加以保護(hù)。其中，最直接有效且常用的方法就是在金屬表面涂防腐涂料。防腐涂料隔絕了金屬表面與腐蝕介質(zhì)的接觸，阻斷了金屬發(fā)生腐蝕的必要條件，從而達(dá)到延緩和阻止腐蝕的目的。水性聚氨酯是一種黏附性能、耐磨損性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐寒性能優(yōu)良的高分子材料[1-3]，最早由德國(guó)科學(xué)家研發(fā)而成；聚乙烯具有一定的耐腐蝕性能、耐水滲透性能，其生產(chǎn)效率高并且可以長(zhǎng)期使用，已被廣泛用作油氣管道的外防腐涂層材料[4，5]。雖然聚氨酯與聚乙烯涂料在金屬防腐方面具有一定的效果，但對(duì)于輸電桿塔的鍍鋅構(gòu)件防腐效果還有待研究。

本文對(duì)表面噴涂有氯磺化聚乙烯和聚氨酯的鍍鋅鋼試塊進(jìn)行模擬海水腐蝕試驗(yàn)，并以涂層厚度為參數(shù)，研究其防腐效果及附著力隨著腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律從而探究氯磺化聚乙烯及水性聚氨酯涂層對(duì)于鍍鋅構(gòu)件的防腐性能。

1 試驗(yàn)概況

1)試件設(shè)計(jì)。基體材料為鍍鋅鋼試塊，尺寸為50 mm×50 mm×4 mm。試驗(yàn)噴涂的防腐材料分別為水性聚氨酯與氯磺化聚乙烯，之后按照GB/T 1727—1992漆膜一般制備法將涂料均勻噴涂在鋼板上，水性聚氨酯與氯磺化聚乙烯涂層的厚度分為薄(B)、中(H)、厚(T)，每種涂層厚度的試件數(shù)量均為6個(gè)，其中薄(B)為噴涂一次，中(H)為噴涂?jī)纱?，?T)為噴涂3次。之后在浸泡試驗(yàn)規(guī)定時(shí)間期限(2 d/4 d/6 d)取一塊進(jìn)行劃格試驗(yàn)，其余試件進(jìn)行厚度的測(cè)量。涂層固化方法為：噴涂完后在室溫下放置15 min～30 min，再置于60 ℃烘箱中固化24 h。涂料厚度采用千分尺進(jìn)行測(cè)量并記錄。為了后續(xù)試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，將每個(gè)試件進(jìn)行標(biāo)號(hào)，B厚度聚氨酯涂層的試件標(biāo)記為①～⑥；B厚度聚乙烯涂層的試件標(biāo)記為1～6；H厚度聚氨酯涂層的試件標(biāo)記為H①～H⑥；H厚度聚乙烯涂層的試件標(biāo)記為H1～H6；T厚度聚氨酯涂層的試件標(biāo)記為T①～T⑥；T厚度聚乙烯涂層的試件標(biāo)記為T1～T6。采用電子千分尺對(duì)所有腐蝕前的試件進(jìn)行試件初始厚度及刷涂聚乙烯/聚氨酯后的試件總厚度進(jìn)行測(cè)量并記錄，如表1所示。

表1 腐蝕前試件涂層厚度

2)腐蝕試驗(yàn)。根據(jù)GB 10124—1988金屬材料試驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法[6]進(jìn)行不同厚度聚乙烯/聚氨酯的鍍鋅鋼實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)，具體過(guò)程如下：配置35 g/L的氯化鈉溶液，調(diào)節(jié)pH值為6.5～7.2之間，調(diào)節(jié)試驗(yàn)溫度為(25±2) ℃，試驗(yàn)在耐腐蝕的塑料箱中進(jìn)行。定期檢查試板，同時(shí)注意不應(yīng)損傷受試表面。在規(guī)定的試驗(yàn)周期結(jié)束時(shí)，從設(shè)備中取出試板，用清潔的溫水沖洗以除去試板表面上的試驗(yàn)溶液殘留物，而后立即把試板弄干并檢查試板表面的損壞現(xiàn)象，如起泡、生銹等。

3)附著力試驗(yàn)。按照GB/T 9286—1998色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)測(cè)試涂層的附著力，在樣板上至少進(jìn)行3個(gè)不同位置試驗(yàn)。具體過(guò)程如下：先將表面覆有涂層的鍍鋅試塊固定在堅(jiān)硬、平直的物面上，以防在試驗(yàn)過(guò)程中樣板的任何變形，然后將刀具垂直于樣板表面對(duì)切割道具均勻施力，用均勻的切割速率在涂層上劃出規(guī)定的切割數(shù)。使用軟毛刷清理后將膠帶均勻完全粘附在劃格上，5 min內(nèi)呈60°用力平穩(wěn)撕開(kāi)，觀察剝離網(wǎng)格數(shù)目，據(jù)此判斷涂層的附著力等級(jí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 腐蝕形貌及產(chǎn)物分析

在海水模擬液(3.5wt%NaCl)進(jìn)行全浸試驗(yàn)2 d/4 d/6 d后的表面后聚乙烯涂層已經(jīng)出現(xiàn)了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，在全浸試驗(yàn)6 d后，未噴涂防腐涂層的鍍鋅鋼試塊鋅層剝落明顯，鋼基體暴露(見(jiàn)圖2)；B，H厚度聚乙烯涂層各試樣均出現(xiàn)了一定程度的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，如圖2c)所示，而T厚度的聚乙烯涂層尚未出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)點(diǎn)蝕的聚乙烯涂層均勻性較差，可以初步推測(cè)當(dāng)聚乙烯涂層較厚且較均勻時(shí)，具有一定的防腐性能。水性聚氨酯涂層耐腐蝕性較好，進(jìn)行全浸試驗(yàn)6 d后，表面未出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，但涂層出現(xiàn)失光、發(fā)黃現(xiàn)象，如圖2b)所示。

利用掃描電鏡對(duì)腐蝕6 d后噴涂有兩種涂層及沒(méi)有涂層的鍍鋅鋼試塊表面的微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)未腐蝕的鍍鋅鋼表面光滑平整，鍍層表面分布著許多微裂紋，腐蝕6 d后，鍍鋅鋼鋅層表面出現(xiàn)一些凸起結(jié)構(gòu)，且出現(xiàn)了一些呈片狀的腐蝕產(chǎn)物如圖3a)所示，對(duì)圖3中標(biāo)注的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行EDS元素成分分析，結(jié)果如表2所示?？芍?，片狀的腐蝕產(chǎn)物由Zn，Cl，O元素組成，推測(cè)這種較為致密的腐蝕產(chǎn)物為Zn5(OH)8Cl2·H2O。同時(shí)還存在疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行EDS元素成分分析，發(fā)現(xiàn)其中Cl元素含量較低，腐蝕產(chǎn)物為Zn(OH)2。疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物對(duì)鋼基體的保護(hù)性很弱，腐蝕介質(zhì)易從孔洞中傳輸，而致密的腐蝕產(chǎn)物可以有效阻止腐蝕性介質(zhì)的傳播，可以對(duì)鋼基體起到一定的保護(hù)作用。

基于圖2b)的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕6 d后的水性聚氨酯涂層表面粗糙度沒(méi)有太大的變化，沒(méi)有明顯的腐蝕產(chǎn)物的生成，說(shuō)明水性聚氨酯涂層的防腐機(jī)理為物理屏蔽保護(hù)，具有較高的交聯(lián)密度，涂層致密性好，可以有效地隔絕環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的深入。但腐蝕6 d后，水性聚氨酯涂層表面出現(xiàn)了一定的缺陷，原因是因?yàn)樗跃郯滨ツ退暂^差。

表2 腐蝕產(chǎn)物分析

由圖2c)可以看出，腐蝕6 d后的氯磺化聚乙烯涂層表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕，進(jìn)行EDS元素成分分析發(fā)現(xiàn)腐蝕已經(jīng)到達(dá)鋼基體，涂層已經(jīng)失效，甚至氯磺化聚乙烯涂層加速了鍍鋅鋼的腐蝕進(jìn)程。原因可能是涂層在涂裝過(guò)程中造成的微觀缺陷較多，導(dǎo)致涂層表面孔隙較多，水通過(guò)微觀缺陷進(jìn)入到鍍鋅鋼表面，形成了一層水膜，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)孔蝕處的Cl離子含量為17.55%，說(shuō)明微觀缺陷加速了腐蝕介質(zhì)滲透至鍍鋅鋼表面，加速了腐蝕過(guò)程，導(dǎo)致涂層表面率先出現(xiàn)銹點(diǎn)。

2.2 腐蝕試驗(yàn)后涂層厚度變化

兩種涂層在氯化鈉溶液中經(jīng)過(guò)6 d的腐蝕后，厚度均減小，圖4所示為涂層厚度隨著腐蝕天數(shù)變化的趨勢(shì)，當(dāng)兩種涂層厚度較大時(shí)，厚度損失較慢，而當(dāng)兩種涂層厚度較小時(shí)，厚度損失較快；當(dāng)氯磺化聚乙烯涂層出現(xiàn)點(diǎn)蝕時(shí)，鋼基體已經(jīng)開(kāi)始腐蝕，涂層已經(jīng)失效，但涂層厚度沒(méi)有明顯的變化。

其中，圖4中CSM表示氯磺化聚乙烯涂層；WPU表示水性聚氨酯涂層；B表示?。籋表示中等厚度；T表示最厚。

圖5為腐蝕6 d后氯磺化聚乙烯涂層附著力劃痕試驗(yàn)。

2.3 涂層附著力測(cè)試結(jié)果

對(duì)于水性聚氨酯涂層，當(dāng)水性聚氨酯涂層厚度為B厚度和H厚度時(shí)，全浸試驗(yàn)進(jìn)行至2 d/4 d/6 d時(shí)，涂層沿切割邊緣大碎片剝落，一些方格部分或全部出現(xiàn)脫落(見(jiàn)圖6)，受影響的交叉切割面積大于35%，此時(shí)水性聚氨酯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級(jí)為4級(jí)。當(dāng)水性聚氨酯涂層為T厚度且涂層較均勻，全浸試驗(yàn)進(jìn)行至6 d時(shí)，如圖6c)所示，涂層切割邊緣平滑，涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級(jí)為0級(jí)。采用式(1)來(lái)反映涂層附著力大小。

(1)

其中，N1為未剝離涂層格子數(shù)；N0為格子總數(shù)；L為涂層的未剝離率。

當(dāng)全浸試驗(yàn)進(jìn)行至2 d時(shí)，不同厚度氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級(jí)為0級(jí)，說(shuō)明此時(shí)氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力極好，不易脫落、剝落。

當(dāng)全浸試驗(yàn)進(jìn)行至6 d時(shí)，試驗(yàn)得到剝離率變化情況如圖7所示。H厚度、T厚度的氯磺化聚乙烯涂層切口交叉處有少許涂層脫落，此時(shí)的氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級(jí)為1級(jí)，而B(niǎo)厚度的氯磺化聚乙烯涂層切割邊緣完全平滑，無(wú)一格脫落，與鍍鋅鋼板的附著力等級(jí)為0級(jí)。隨著腐蝕時(shí)間的增大，較厚的氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力反而會(huì)降低得較快。

對(duì)比未進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)的水性聚氨酯涂層附著力測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，未進(jìn)行全浸試驗(yàn)的B厚度水性聚氨酯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級(jí)為2級(jí)，說(shuō)明短期的全浸試驗(yàn)?zāi)苁沟幂^薄厚度的水性聚氨酯涂層喪失大部分的附著力，容易出現(xiàn)涂層剝落、脫落等失效方式，但當(dāng)水性聚氨酯涂層較厚時(shí)，此時(shí)的水性聚氨酯初始涂層為60 μm，涂層與鍍鋅鋼板的附著力較好，且在全浸試驗(yàn)中不易喪失附著力。

3 結(jié)論

1)全浸實(shí)驗(yàn)中，氯磺化聚乙烯涂層雖然附著力較好，但反而會(huì)加速鍍鋅鋼的腐蝕進(jìn)程；而水性聚氨酯涂層厚度達(dá)到60 μm時(shí)，具有較高附著力的同時(shí)，可以有效地物理屏蔽保護(hù)鍍鋅鋼基體，延緩鍍鋅鋼的腐蝕速度。2)隨著腐蝕時(shí)間的增大，較厚的氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力反而會(huì)降低得較快；較薄厚度的水性聚氨酯涂層與基體之間較差的附著力是由于水性聚氨酯具有耐水性差、力學(xué)性能較差等缺陷，這些缺陷限制了其在海洋環(huán)境中作為耐腐蝕材料的應(yīng)用與發(fā)展。3)當(dāng)氯磺化聚乙烯涂層較厚且較均勻時(shí)，具有一定的防腐性能，但相比之下，水性聚氨酯涂層的耐腐蝕性能明顯好于氯磺化聚乙烯涂層。4)研究得出的一些有價(jià)值的結(jié)論為沿海地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)防腐提供了一定程度的理論指導(dǎo)，具有一定的參考價(jià)值。