冷涂鋅涂層的防腐蝕性能

楊　焰，肖邵博，萬長鑫，車軼材，廖有為，3

（1.中南林業(yè)科技大學，長沙410004；2.湖南金磐新材料科技有限公司，長沙410007；3.湖南省腐蝕與防護學會，長沙410004）

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冷涂鋅涂層的防腐蝕性能

楊焰1，肖邵博1，萬長鑫1，車軼材2，廖有為1，3

（1.中南林業(yè)科技大學，長沙410004；2.湖南金磐新材料科技有限公司，長沙410007；3.湖南省腐蝕與防護學會，長沙410004）

摘 要：采用特殊有機樹脂為基體，超細鋅粉為防腐蝕填料，配制成干膜鋅粉含量高達96%的冷涂鋅涂料。通過2 500 h中性鹽霧試驗及電化學試驗，采用掃描電鏡（SEM）觀察并分析了涂層的防腐蝕性能。結果表明，該涂層防腐蝕性能優(yōu)異。

關鍵詞：冷涂鋅涂料；防腐蝕性能；中性鹽霧試驗；微觀形貌

世界上每年因腐蝕而報廢的鋼構建材和設備約占生產量的20%［1］。目前鋼構材料防腐蝕方法主要有無機非金屬涂層防腐蝕法、有機涂層防腐蝕法及全金屬覆蓋層防腐蝕三種方法［2］。鋼結構包覆錫外殼和鋅涂層都屬于全金屬覆蓋層防腐蝕方法，但相對于錫外殼的屏障保護，鋅涂層屏障保護與電化學保護相結合的防護無疑是金屬材料防腐蝕更好的選擇。其中鋅保護中的熱鍍鋅［3］具有處理費用低，持久耐用，可靠性好，鍍層的韌性強，全面性保護，初期成本低等優(yōu)勢，但熱鍍鋅鍍件具有施工溫度高，容易造成構件變形，氧化率和孔隙率較高，鍍鋅層破損后難以修復等缺點。相對于現(xiàn)代多樣化社會的不同需求來說，熱鍍鋅還不能很好地滿足其需求。

近年來，我國鋼結構重防腐蝕涂裝行業(yè)中，出現(xiàn)一種可以直接刷涂的高鋅粉含量涂料——冷涂鋅涂料。冷涂鋅涂料是由純度高于99.9%的鋅粉、特殊有機樹脂和揮發(fā)性稀釋劑三部分配制而成的涂料。目前，冷涂鋅涂料［4］在國內的發(fā)展非常迅速，可廣泛用于鋼構建材的防銹以及鍍鋅構件的維修維護，冷涂鋅卓越的防銹效果，便捷的施工性能和優(yōu)異的環(huán)保性能使其從鋼鐵防腐蝕涂料中脫穎而出。但是，各研發(fā)單位對冷涂鋅涂料防腐蝕性能的研究分析工作開展得比較少。本工作通過中性鹽霧試驗和電化學方法觀察分析冷涂鋅涂料的防腐蝕性能，并用表面分析技術研究了冷涂鋅涂層的表面和截面形貌。

1 試驗

1.1 試樣

（1）鋼板前處理 對CM490型碳鋼鋼板進行機械除銹（噴砂、拋丸），使鋼材表面清潔度達到ISO 8501-1：2007中規(guī)定的Sa2.5級。鋼材表面無可見的油污、氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物，任何殘留的痕跡僅是點狀或條紋狀的輕微色斑。

（2）冷涂鋅涂料制備 在單相串激電動機攪拌的情況下，向加有特殊有機樹脂和稀釋劑醋酸丁酯（分析純）的配料罐中逐漸加入超細鋅粉（純度高于99.9%），鋅粉、特殊有機樹脂和醋酸丁酯三者質量比為80∶5∶15，先以低速（800 r/min）攪拌10 min，待鋅粉加完后，高速（2 000 r/min）攪拌10 min，攪拌總時間約為20 min。攪拌完后，配料罐靜置5 min左右，防止涂刷過程中出現(xiàn)氣泡或針孔。

（3）涂布 用羊毛刷浸蘸適量靜置好的冷涂鋅涂料，均勻地涂布在鋼板表面上，待表干（30 min）后，涂布第二遍，涂層總厚度約為60～100μm。

1.2 試驗方法

（1）中性鹽霧試驗 試驗儀器為LP/YWX-750型鹽霧腐蝕試驗箱，試驗溫度約為25℃，侵蝕溶液用50 g/L的NaCl水溶液，鹽霧沉降量1～2 mL/（80 cm2·h）-1；將制作好的冷涂鋅樣板放入中性鹽霧箱內，并根據(jù)GB/T 10125-1997和GB/T 1771 -2007進行試驗。中性鹽霧試驗結束后，將熱鍍鋅樣品、冷涂鋅原始樣品及經鹽霧試驗后的樣品分別線切割加工成10 mm×10 mm小片。將切割好的涂層小片用無水乙醇清洗吹干，并密封編號后保存待用，涂層表面工作面積為1 cm2。

（2）表面形貌分析 將10 mm×10 mm冷涂鋅樣品的原始表面及腐蝕后涂層表面進行掃描電鏡（SEM）分析，以確定鍍鋅涂層的腐蝕前后形貌變化。試驗儀器為JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡，操作電壓為20 k V。

（3）電化學分析 將10 mm×10 mm的裸鋼、冷涂鋅和熱鍍鋅樣品焊接導線，并用環(huán)氧樹脂封裝編號后待用。電化學試驗在IM6e電化學工作站上完成。采用三電極體系，工作電極為待測試樣，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽合甘汞電極（SCE）。文中電位若無特指，均相對于SCE。測試試樣在3.0%NaCl溶液中的極化曲線。

2 結果與討論

2.1 鹽霧試驗

冷涂鋅涂料試樣的中性鹽霧中試驗結果見圖1。

由圖1可見，冷涂鋅樣品經過1 500 h中性鹽霧試驗后，樣品均未發(fā)生腐蝕，但在表面出現(xiàn)白色腐蝕產物?？逃袆澓劾渫夸\樣板的劃痕處出現(xiàn)部分白色腐蝕物堆積。經過2 500 h的中性鹽霧試驗后，樣板表面白色腐蝕產物增多，沒有出現(xiàn)紅色銹蝕物，圖1（d）中樣板的劃痕處也沒有出現(xiàn)紅色銹蝕物，只是劃痕縫隙稍微增大并填充了有保護作用的白色腐蝕物。冷涂鋅涂層經過2 500 h鹽霧試驗后仍然沒有任何腐蝕，說明冷涂鋅涂料在中性鹽霧環(huán)境中能夠對鋼鐵材料起到良好的保護效果。因為涂層中鋅的含量在干膜中占96%（質量分數(shù)，下同），且鋅粉在鹽霧箱中，受到Cl-、O2、CO2、H2O等腐蝕介質的作用，生成一層致密的堿式碳酸鋅產物，且這些產物能夠填充于涂層縫隙中以防止涂層被進一步被破壞。

圖1　完整和有劃痕冷涂鋅試樣經1 500 h和2 500 h鹽霧試驗后的表面形貌Fig.1 Surface morphology of integrity（a，c）and scratch（b，d）after 1 500 h（a，b）and 2 500 h（b，d）neutral salt spray corrosion testing

2.2 微觀形貌分析

2.2.1涂層表面

圖2為冷涂鋅涂層的原始刷涂態(tài)表面形貌。

圖2　冷涂鋅原始涂層的微觀形貌Fig.2 Micro-morphology of the original of cold zinc coating

由圖2（a）可見，涂層表面光滑致密，但存在大量的孔隙缺陷；由圖2（b）可見，涂層較為平整，孔隙缺陷明顯，表面粒子呈規(guī)整的球狀形態(tài)，且彼此之間存在明顯的間隙。冷涂鋅涂層的形成既沒有熱鍍鋅那樣的高溫冶金反應，也沒有電鍍鋅那樣的電沉積效應［5］。冷涂鋅涂層是在常溫下利用粒徑極細的鋅粉在特殊有機樹脂的粘結作用下形成的，所以隨著有機溶劑的揮發(fā)，涂層中的鋅粒子在沒有氧化產物生成的情況下，呈現(xiàn)出高孔隙率的形貌特征。涂層的孔隙為腐蝕介質侵蝕基體材料提供了渠道，因此對防腐蝕涂層來說，涂層孔隙率［6］越低越好。

由圖3可見，經2 500 h鹽霧試驗后，涂層表面只有很少的圓形狀粒子，并且粒子間的間距很大。經過EDS能譜儀分析，冷涂鋅涂層的表面氧化度約為4%～8%，主要成分是ZnO、Zn（OH）2及堿式碳酸鋅［7］［ZnCO3·2Zn（OH）2·H2O］氧化物粉末。而圖中也可以看出涂層表面的孔隙很少，這是因為冷涂鋅涂層表面的氧化物粉末沉積于涂膜空隙中，增加了涂膜的致密性，并且使得鋼結構表面與鹽霧箱中電解質溶液隔絕，免受溶蝕及氧化，從而起到了屏蔽保護的作用。這層氧化物保護膜又稱為白繡，一定程度上可以減緩涂層被腐蝕。

圖3　經2 500 h中性鹽霧試驗后的冷涂鋅涂層微觀形貌Fig.3 Micro-morphology of the cold zinc coating after 2 500 h neutual salt spray test

2.2.2涂層橫截面

由圖4可見，涂層表面的氧化物已經基本覆蓋涂層表面，生成一層致密的保護膜，形成了屏障保護。涂層物質基本上融于一體，可能是細微水分、空氣滲入涂層之中形成氧化物粉末填充于鋅粒子和特殊有機樹脂的混合物空間中。

2.3 電化學試驗

圖5為裸鋼基體、冷涂鋅和熱鍍鋅試樣在30 g/L NaCl溶液中的極化曲線，極化曲線相關電化學參數(shù)擬合結果見表1。

圖4　冷涂鋅涂層鹽霧試驗前后橫截面的微觀形貌（100×）Fig.4 Micro-morphology of the cross section of cold zinc coating before（a）and after（b）salt spray testing（100×）

圖5　不同材料在3%NaCl溶液中的極化曲線Fig.5 Polarization curves of the samples covered with different coatings in 3%NaCl solution

表1　不同材料在3%NaCl溶液中的極化曲線特征值Tab.1 The characteristic values of anodic polarization curves of the samples covered with different coatings in 3%NaCl solution

鋼鐵受腐蝕介質的損害主要來源于電化學作用，而由電化學腐蝕理論可知，在腐蝕介質形成的微電池中，腐蝕首先在電極電位較低的陽極發(fā)生，因此標準電極電位比鐵低的金屬材料均可作為鋼鐵的防腐涂料［7-10］。由圖5及表1可知，兩種含鋅涂層的腐蝕電位至少比裸鋼電位高400 mV。在腐蝕介質中，兩種涂層均能為鋼基體提供陰極保護驅動力，冷涂鋅和熱鍍鋅涂層的腐蝕電流均高于裸鋼，說明裸鋼基體上的含鋅涂層產生了陰極電流，起到陰極保護作用。因此，由于兩種含鋅涂層的電化學保護作用，裸鋼腐蝕被抑制，涂層起到保護作用。冷涂鋅和熱鍍鋅涂層具有相似的腐蝕電位與腐蝕電流密度，當冷涂鋅與熱鍍鋅涂覆在裸鋼基材上時，冷涂鋅能達到與熱鍍鋅相似的防腐蝕效果。冷涂鋅中的鋅粉含量高達96%，能夠像熱鍍鋅那樣，為基體提供良好的陰極保護作用，此外，由于冷涂鋅干膜中所含的4%特殊有機樹脂具有填充冷涂鋅涂層中細小微孔的作用，可以抑制水、氧和離子透過涂層，形成良好的屏障保護。熱鍍鋅由于熱鍍鋅生產過程中溫度過高，會降低鍍件的機械強度并產生孔隙，此外工作環(huán)境差，污染嚴重，使其發(fā)展前景受到了限制。因此，相對于熱鍍鋅涂料來說，冷涂鋅涂料符合國家提倡的節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展策略，在現(xiàn)在及未來的發(fā)展中會越來越受到重視。

3 結束語

干膜鋅含量達到96%的冷涂鋅涂料可以通過2 500 h的中性鹽霧試驗而不發(fā)生顯著腐蝕，且涂層表面氧化率僅為4%～8%。冷涂鋅涂層具有金屬鋅的陰極保護和特殊有機樹脂的屏蔽保護雙重作用。電化學試驗可知，同樣厚度的冷涂鋅涂層和熱鍍鋅涂層的防腐蝕效果相當，但前者的生產更加環(huán)保，使用更加便捷，應用更為廣泛。因此，在未來的含鋅涂料發(fā)展過程中，冷涂鋅涂料的發(fā)展前景更為廣闊。

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Anti-corrosion Performance of Cold Zinc Coating

YANG Yan1，XIAO Shao-bo1，WAN Chang-xin1，CHE Yi-cai2，LIAO You-wei1，3
（1.Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China；2.Hunan Jinpan New Material Technology Co.，Ltd.，Changsha 410007，China；3.Hunan Provincial Society for Corrosion and Protection，Changsha 410004，China）

Abstract：Special organic resin was used as matrix，super fine zinc poder was used as anticorrosive filler，a cold zinc coating containing 96%Zn was prepared.The corrosion behavior of the coating was analyzed by neutral salt spray test for 2 500 h，electrocnemical method and SEM.The results showed that the corrosion resistance of the coating was excellent.

Key words：cold zinc coating；anticorrosive performance；neutral salt spray test；micro morphology

通信作者：楊焰（1977-），講師，碩士，從事涂料樹脂合成的相關研究，13974842686，823545971@qq.com

基金項目：長沙市科技計劃資助項目（K1308046-31；K1403035-11）

收稿日期：2015-02-09

DOI：10.11973/fsyfh-201603013

中圖分類號：TG174

文獻標志碼：A

文章編號：1005-748X（2016）03-0245-04