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紧固件防护涂层的制备及耐蚀性能研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第37卷第7期 2007年7月 涂料工业 PAINT&COATINGS INDUSTRY V0I.37 No.7 Ju1.2007 紧固件防护涂层的制备及耐蚀性能研究 薛丽莉 ,许立坤 ,李庆芬’,李春辉’ (1.哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,哈尔滨150001; 2.中船重工七二五研究所海洋腐蚀与防护国家重点实验室,山东青岛266071) 摘要:阐述了水性含氟涂层和水性纳米铝粉环氧涂层的配方及固化工艺研究,制备用于紧固件腐蚀防护的水性有 机涂层。使用DSC对涂层的工艺进行了优化,使用SEM对涂层表面形貌进行了表征。利用电化学阻抗谱(EIS)对两种 涂层的耐腐蚀性能进行了研究,结果表明:制备出的含氟涂层致密孔隙少,耐腐蚀性能明显优于水性纳米复合涂层。 关键词:水性含氟涂层;水性纳米复合涂层;耐腐蚀性能;紧固件;防护涂层 中图分类号.TQ 630.7 文献标识码:A 文章编号:0253—4312(2007)07—0005—03 Preparation of Protective Coatings for Fasteners and Its Corrosion—Resistant Performance Xue Lili’ ,Xu Likun’ ,Li Qingfen’,Li Chunhui’ (1.Harbin Engineering University,College ofMaterials Science and Chemical Engineeirng,Harbin 150001,China;2.State Key Laboratoryfor Marie nCorrosion and Protection,Laoyang 咖Mateirals Research Institute,Qingdao,Shandong 266071,Chia)n Abstract:In this paper formulations and cure process of the waterborne fluorin—containing coatings and the waterborne nano A12 O3 epoxy coatings were described,which are used to prepare the waterborne COITO- sion—resistant organic coatings for fasteners.In addition,the preparation technology of coatings were opti- mized by use of DSC and surface morphology of coatings film were characterized by SEM.The corrosion—re- sistant performance of the waterborne fluorine——containing coating and waterborne epoxy coatings were inves・- tigated by EIS.The results indicated that the corrosion—resistant performance of the waterborne fluorin— containing coating is better than the waterborne nano A12 O3 epoxy coating. Key Words:waterborne epoxy coating;waterborne fluorin—containing coating;cure process;corrosion— resistant performance 0 引 言 有机涂层通过使用防腐颜料来增强对基底被涂敷金属的 防护作用。在过去的20年,环境友好的水性涂层被看成是最 有望替代传统溶剂型涂层而受到广泛关注,然而目前水性金 属涂层的性能还远达不到溶剂型金属涂层的性能 ,主要存 钢质紧固件在海洋环境中的腐蚀是亟待解决的问题。对 于紧固件防护涂层来说,表面润滑性能和防腐性能是非常重 要的,聚四氟乙烯( FE)树脂具有优异的自润滑性能和防腐 性能,但聚四氟乙烯树脂单独成膜附着力低,并且孔隙较大, 不利于在海洋环境中的长期使用,因此本研究引入自分层涂 料(Self—Stratifying) 的概念进行涂层配方设计,将 FE乳 液与水性环氧树脂复配,成膜后 FE富集在涂层表面,形成 不连续相,使涂层具有较好的憎水性及自润滑性能,同时利用 纳米铝粉填充水性环氧树脂膜孔隙,减少水蒸汽的渗入,对基 底金属形成有效保护。 在以下几方面的问题 :①闪蚀问题:由于水的存在,钢铁的 闪蚀已经成为水性底漆和直接用于金属的涂料体系的重要问 题;②水敏感性的问题:在制备水性涂料的过程中,不可避免 地使用较多表面活性剂以获得所需要的涂料性能,但这会使 得所形成的涂膜具有水敏感性等问题。水敏感性的增大最终 会导致涂膜附着力的丧失,从而引起金属腐蚀;③硬度、耐热 性、耐久性等物理性能较差;④水性涂料涂膜的致密性不如溶 剂型涂料,其对水蒸汽及氧气等的屏蔽性能较差。 1 涂料配方设计及试验 1.1涂料的制备 由于 FE乳胶粒易于凝结、沉淀,使用前要用表面活性 作者简介:薛丽莉(1978一),女,在读博士研究生,讲师,主要研究方向为有机涂层的制备及海洋腐蚀防护。 维普资讯 http://www.cqvip.com 薛丽莉,等:紧固件防护涂层的制备及耐蚀性能研究 剂进行预处理使其充分分散,这样也更有利于树脂成膜时 果。影响涂层自分层性能的因素很多,例如涂料的组成配比、 树脂的相容性、涂料粒子的密度、助剂对粒子表面的改性作 用、涂层的固化工艺以及涂料的制备过程等 ]。 对所选用的热固型环氧树脂乳液进行扫描差热分析 (DSC)研究,结果如图1所示。 PTFE向表面迁移。先将复合阳离子表面活性剂(德国汉高公 司生产)溶于一定量去离子水,然后加入粒径为0.2 m的 一 FE乳液(美国杜邦公司生产),低速机械搅拌1.5 h制成PTFE 乳浆。将经过表面改性的平均粒径为80 Bin铝粉分散于去离 子水中,加入防沉助剂,低速机械搅拌1 h使其充分分散,悬浮 在水溶液中制成颜料浆。涂层成膜树脂为固含量45%的热固 性水性环氧树脂(青岛海洋化工研究院研制),在搅拌过程中 加入纳米颜料浆,然后加入消泡剂、润湿剂、流平剂等助剂,机 械搅拌1 h,之后加入防闪蚀助剂(佛山市翁开尔贸易有限公 =.、 ∞ g ● 旁 g 司提供),继续搅拌20 rain,制成A涂液,保证纳米铝粉含量为 干膜3%(质量分数)。在A涂液的基础上加入10%(质量分 数)的FITE乳浆充分分散、消泡,制成B涂液。 蕞 1.2试样制备过程 基材选用Q235钢,采用温水除油一干燥一丙酮除油一喷 丸处理。在处理后的钢基材上涂刷纳米铝粉改性的水性环氧 树脂涂料,然后在烘箱中进行预干燥、在200 oC下烘烤10 min。 共涂刷两道,涂层干膜厚度8—10 m。 温度/℃ 图1 水性环氧树脂的差示扫描量热分析(DSC) Fig.1 DSC investigation of the waterborne epoxy 从室温到81.8℃DSC曲线为放热曲线,原因是水溶剂及 涂液中的助剂挥发吸收热量。在81.8℃到102.3℃之间出现 一个平台,此阶段水溶剂完全挥发,而水性环氧树脂乳胶粒没 1.3实验方法 采用德国ZAHNER公司生产的IM6电化学工作站进行电 化学阻抗谱(EIS)测试,实验采用三电极体系,参比电极为饱 和甘汞电极(SCE),涂层试样为工作电极,辅助电极为铂丝。 有发生变化。在102.3℃体系开始吸热,128.2℃达到峰值, 此阶段环氧树脂乳胶粒吸收热量熔融,在空间铺展开。随着 温度升高水性环氧树脂高分子链上部分活性基团发生交联反 应,释放出热量,185.0℃达到峰值,此温度下交联反应最充 分。结合扫描差热分析结果,确定采用两段式固化工艺,预烘 烤温度l10℃,时间15 rain;烘烤温度200℃,时间5 rain。 测试在开路电位下进行,测试频率范围为10 mHz~100 kHz, 正弦交流激励信号为20 mV,试样工作面积9.08 cm 。交流阻 抗图谱利用ZsimpWin 3.10软件进行数据解析。 使用德国NETZSCH公司生产的STA409同步热分析仪进 行涂层差示扫描量热分析(DSC)。使用荷兰Philips公司生产 的XL一30型扫描电镜(SEM)进行涂层表面形貌研究。 图2为110℃预烘干,200 oC固化的纳米复合涂层表面形 貌的扫描电镜(SEM)照片,图2(a)可以清晰的看到涂层A中 纳米铝粉的形貌,由于纳米铝粉含量较高,涂层表面存在大量 孔隙;图2(b)为在纳米铝粉涂层中加入10%(质量分数)的 PTFE得到的涂层B,由于大量PTFE粒子在涂层表面富集,基 本看不到纳米铝粉,涂层致密空隙较少。 1.4水性含氟涂层固化工艺研究 制备涂层的技术关键就在于如何获得理想的自分层效 (a)合纳米铝粉的水性涂料涂层 (b)加入PTFE的纳米水性涂层 图2相同固化工艺条件下制备的水性涂层表面形貌SEM照片 Fig.2 SEM photograph for the waterborne coating with the SaBle euYe progress 水性环氧树脂熔融,相互接触产生毛细管压力,对frrFE粒 子产生挤压,由于PTFE表面张力极低,使具有较低表面能的物 DSC实验结果,1 10℃时涂层中的环氧树脂乳胶粒熔融但未发 生交联反应,此温度下预烘干frrFE粒子可以使其充分上浮且 受纳米铝粉的阻挡,200 oC固化后的涂层表面富集大量聚四 氟乙烯粒子,铝粉被frrFE粒子上浮产生的渗透压压人涂层内 部,因此表面基本看不到铝粉。I ̄ITE树脂具有超强的防腐性 质处于表面(偏析)以使表面能尽可能地减少是非平衡体系的 一种自发过程[ ,因此,PTFE粒子可以在毛细管压力及表面张 力差异产生的拉力的联合作用下上浮,富集于涂层表面。根据 维普资讯 http://www.cqvip.com 薛丽莉,等:紧固件防护涂层的制备及耐蚀性能研究 能,其在涂层表面富集对内部涂层形成良好的保护作用。 高频弧代表涂层的介电性质,低频弧与涂层中的纳米铝粉的 2涂层的耐腐蚀性能研究 为了了解PTFE改性后的涂层的性能,利用EIS对A、B两 氧化还原反应有关,低频弧代表涂层/金属界面的电化学信 息,说明由于涂层孑L隙较大,水、氧等侵蚀性离子传输到达基 底金属,腐蚀电化学反应发生。此时B涂层的EIS谱图仍然 表现为一个时间常数,涂层仍发挥良好的保护作用,基底被保 护金属未发生腐蚀反应。图3(c)涂层在浸泡650 h阻抗谱显 种涂层的耐腐蚀性能分别进行了研究。 EIS可以用于快速评价涂层的耐腐蚀性能。图3为水性 环氧涂层在3.5%NaC1溶液中浸泡不同时间的EIS谱图。浸 泡0 h,如图3(a)所示,两种涂层阻抗谱均表现为一个时间常 数,此时涂层有完好的绝缘层;图3(b)为涂层在浸泡2 h的阻 示,两种涂层的阻抗值明显降低,低频段呈现Wurberg阻抗形 式,证明该涂层已经形成了较多的水及侵蚀离子的传输通道。 B涂层的EIS谱图低频弧半径大于A涂层,证明A涂层的膜 下腐蚀扩展情况比B涂层严重 。 抗谱,从图中可以看到A涂层表现为3个时间常数,分析认为 3f)×10 2 5×105 2,0×10 1.5×105 1 0×105 5.0×10 f)0 Z1 fn Z /n Z’/n (a) (b) (C) 图3水性环氧涂层在3.5%NaC1溶液中浸泡不同时间的EIS谱图 Fig.1 EIS diagrams for the wate ̄ome coating pigmented with nano—aluminum powder and the wate ̄ome fluorine coating.immersion in 3.5%NaC1 solution(a)Oh;(b)2 h;(C)650 h FE是乙烯分子中的氢原子被氟原子取代后生成的聚 合物,在FIFE分子中,由于氟原子核对其核外电子及成键电 子云的束缚作用较强,结构相对对称,分子是非极性的,氟的 极化率小,C—F化学键非常稳定,同时氟原子在高聚物中所 起到的高度屏蔽效应和空间位阻作用,使其共聚物具有比普 通非氟共聚物更高的化学惰性和特殊表面性能,如疏水性、疏 油性 J。水和侵蚀性离子在涂层中传输,通过涂层的缺陷到 达基底金属界面,形成腐蚀微电池,发生腐蚀电化学反应,并 在涂层/金属基体界面扩展,最终涂层剥离、失效。水性环氧 ㈣ 含氟环氧涂层中的传输困难,涂层/金属体系腐蚀反应进行缓 慢,另外纳米铝粉物理阻挡作用得到充分发挥,从而使水性含 0 氟环氧涂层的抗腐蚀性能明显优于水性环氧涂层。 参考文献 『1]HERN6NDEZ M A,GALLIANO F,LANDOLT D.Mechanism of ca— thodic de lamination control of zinc—alunimum phosphate pigment in waterborne coatings[J].Corrosion Science,2004(46):2 281-2 300. [2] 夏正斌,涂伟萍.水性金属防护涂料的研究进展[J].材料保护, 2003,36(4):5—8. 含氟涂层表面富集 FE粒子,表面能低,水和侵蚀性离子较 难浸润,在涂层中传输变得困难,腐蚀电化学反应因为腐蚀介 质的缺少而进行缓慢,涂层的阴极剥离速度缓慢 。另外,由 于 FE粒子具有超强的疏水性,水的传输也受到了阻碍,较 难浸润纳米铝粉,与铝粉发生的氧化还原反应速度缓慢,使纳 米铝粉发挥了物理阻挡作用,从而提高了涂层的防腐性能。 综上所述,B涂层的耐蚀性能明显优于A涂层。 [3] BENJAMIN S C,CARR D J.Walbridge self—stratifying coatings for metallic substrates[J].Progress in Organic Coatings,1 996(28): 197—207. 『4] CHRISTOPHER CARR,EVA WALLST/5M.Theoretical aspects of self—stratiifcation[J].Progress in Organic Coatings,1996(28): 161—171. [5] VERKHOLANTSEV V,FLAVIAN M.Polymer structure and proper- ties of heterophase and self—stratifying coatings[J].Progress in Or- ganic Coatings,1996(29):239—246. 3 结 语 引入自分层概念进行了水性环氧含氟涂层的配方设计及 [6]LIU JIANGUO,GONG GAOPING,YAN CHUANWEI.Study of cor— rosion behaviour of organic coating/dacromet composite systems【J]. Electrochimica Acta,2005(5O):3 320—3 332. 固化工艺研究,结合扫描差热分析(DSC)结果,确定采用两段式 烘烤,预烘干温度110 oC,时间15 rain,固化温度200℃,时间10 min,扫描电镜(SEM)观察涂层表面形貌,发现此固化工艺有利 [7] 管从胜,张明宗,熊金平.有机氟聚合物涂料及其在防腐中的应 用[J].腐蚀科学与防护技术,2000,12(3):164—169 [8]KI'ITEL J,CELATI N,KEDDAM M,et a1.Influence ofthe coating —substrate interactions on the corrosion protection:characterization 于聚四氟乙烯(mE)粒子富集于表面,且涂层致密空隙较少。 对水性含氟环氧和水性环氧两种涂层的耐腐蚀性能进行了研 究,结果表明:通过控制含氟涂层的固化工艺,可使PTFE粒子 尽可能富集在涂层表面,使涂层表面能降低,H O分子在水性 by impedance spectoscopy ofr the inner and outer parts of a coating [J].Progress in Organic Coatings,2003(46):135—147. 收稿日期2006—11~23 

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