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摘 要：為改善Q235碳鋼的耐蝕性，在其表面涂覆了1種環(huán)氧涂層。采用中性鹽霧試驗(yàn)(NSS)、濕熱試驗(yàn)、鹽水全浸試驗(yàn)和電化學(xué)交流阻抗譜(EIS)對(duì)比了Q235鋼涂覆前后的耐蝕性能。結(jié)果表明，Q235鋼涂覆后在鹽水中的平均腐蝕速率僅有38.8 mg／(m2?h)，下降了86.3％以上，低頻阻抗數(shù)值增加了3個(gè)多數(shù)量級(jí)，耐蝕能力顯著提高。
關(guān)鍵詞：環(huán)氧涂層；Q235鋼；耐蝕性；平均腐蝕速率；低頻阻抗
0 引言
鋼鐵是機(jī)械工程中應(yīng)用普遍的材料，但每年因腐蝕而造成的破壞非常嚴(yán)重。加強(qiáng)對(duì)鋼鐵材料的腐蝕防護(hù)，對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的兩型社會(huì)具有重要意義。有機(jī)涂層技術(shù)是1種十分有效的防腐蝕方法，常用防腐涂料有聚苯胺、環(huán)氧瀝青、環(huán)氧樹脂等。其中環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接性能、力學(xué)性能、耐磨性能、耐蝕性能、化學(xué)穩(wěn)定性能以及收縮率低、成膜性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以有效地阻隔金屬材料與有害物質(zhì)接觸，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、電子、航空航天等領(lǐng)域。
本文選取環(huán)氧樹脂為成膜物，利用環(huán)氧樹脂與固化劑的交聯(lián)反應(yīng)在Q235碳鋼表面生成致密的有機(jī)膜，通過中性鹽霧試驗(yàn)、鹽水全浸試驗(yàn)、電化學(xué)測(cè)試技術(shù)評(píng)價(jià)了涂層在NaCl介質(zhì)中的耐蝕性能。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原材料與儀器
環(huán)氧樹脂：E－44型環(huán)氧樹脂，江西宜春遠(yuǎn)大化工有限公司；固化劑：650型聚酰胺樹脂，江西宜春遠(yuǎn)大化工有限公司；基體金屬：普通Q235碳鋼，廣州珠江鋼鐵有限責(zé)任公司。實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)試劑均為分析純。
YWX／Q－150型塔式鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，無(wú)錫蘇南試驗(yàn)設(shè)備有限公司；GP／TH－50溫濕度試驗(yàn)箱，上海廣品實(shí)驗(yàn)設(shè)備制造有限公司；CHI 760C型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；KW－4A型勻膠機(jī)，科學(xué)院微電子研究所；MiniTest 600 B－FN型涂層測(cè)厚儀，德國(guó)EPK公司。
1.2 環(huán)氧涂層試樣的制備
Q235碳鋼加工成50 mm×40 mm×2 mm大小，依次經(jīng)表面噴砂處理→去離子水洗→在丙酮溶液中超聲波清洗10 min→去離子水洗，吹干后置于干燥器中。隨后將環(huán)氧樹脂與聚酰胺樹脂按質(zhì)量比10：8混合均勻，使用勻膠機(jī)均勻旋涂于處理好的Q235碳鋼基體表面，勿使有氣泡。在室溫(25℃，下同)下充分固化后置于干燥器中存放備用，控制涂層厚度為(100±5)μm。
1.3 耐蝕性能測(cè)試
1)中性鹽霧實(shí)驗(yàn)：按照ISO 9227―2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaCl溶液，箱內(nèi)溫度為(35±2)℃，鹽霧沉降量為(1～2)mL／(h?80 cm2)，收集氯化鈉溶液濃度(50±5)g／L，pH為6.5～7.2。將試樣放入鹽霧箱中，表面與垂直方向成30°，分別連續(xù)噴霧2，4，6，8，24，48，72，96 h，然后取出試樣，經(jīng)去離子水沖洗、吹干，再用帶網(wǎng)格的透明塑料板測(cè)定腐蝕面積。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用5片平行試樣，取其平均值。
2)濕熱實(shí)驗(yàn)：按照GB／T 2423.3―2006進(jìn)行恒定濕熱實(shí)驗(yàn)：溫度為(40±2)℃，相對(duì)濕度為(93±3)％，持續(xù)240 h。待濕熱箱內(nèi)的溫度和相對(duì)濕度達(dá)到規(guī)定值并穩(wěn)定后，開始計(jì)算實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用5片平行試樣，取其平均值。
3)全浸腐蝕實(shí)驗(yàn)：按照J(rèn)B／T 6073―1992進(jìn)行，在室溫下將試樣浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaCl溶液中168 h。分別稱量浸泡前后的試樣質(zhì)量m1和m2，計(jì)算試樣的總表面積S。注意取出浸泡試樣時(shí)要清除腐蝕產(chǎn)物、烘干稱重，則試樣的腐蝕速率R=(m1-m2)／St，t為浸泡時(shí)間。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用5片平行試樣，取其平均值。
4)電化學(xué)阻抗測(cè)試：采用傳統(tǒng)的三電極測(cè)試系統(tǒng)，輔助電極為鉑片電極，參比電極用飽和甘汞電極，工作電極為待測(cè)試樣，用絕緣的密封膠封樣后暴露1 cm×1 cm的面積，腐蝕溶液為室溫下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaCl溶液。在開路電位下測(cè)試待測(cè)試樣的交流阻抗譜，頻率范圍為10-2～105 Hz，激勵(lì)信號(hào)為幅值10 mV的正弦波。
2 結(jié)果與討論
2.1 鹽霧實(shí)驗(yàn)分析
耐鹽霧能力是考察涂層耐蝕性能，預(yù)測(cè)其使用壽命的重要指標(biāo)。環(huán)氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣的中性鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。
從圖中可以看出，Q235鋼基體在2 h時(shí)就有明顯的腐蝕斑點(diǎn)，8 h后試樣幾乎完全布滿點(diǎn)蝕坑，24 h后出現(xiàn)更多紅銹，96 h后基體表面完全被層堆狀的紅銹所覆蓋，存在大量的腐蝕產(chǎn)物；而涂覆環(huán)氧樹脂之后，Q235鋼的耐蝕能力得到了顯著提高，24 h后肉眼幾乎觀察不到腐蝕點(diǎn)，48 h后表面出現(xiàn)少量鼓泡和銹蝕點(diǎn)，96 h后表面鼓泡和銹蝕點(diǎn)擴(kuò)大并且紅銹增多，但增幅較小，總的銹蝕面積不足15％。這說(shuō)明環(huán)氧樹脂涂層的存在，起到物理屏障阻隔作用，從而抑制了環(huán)境中的水分、溶解氧與腐蝕性氯離子透過涂層，到達(dá)基體界面處發(fā)生物理化學(xué)作用而形成腐蝕產(chǎn)物，對(duì)Q235鋼基體提供了良好的保護(hù)作用。
2.2 濕熱實(shí)驗(yàn)分析
濕熱實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察飽和水蒸氣對(duì)涂層的破壞程度，環(huán)氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣濕熱加速腐蝕240 h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表1。
由實(shí)驗(yàn)可知，Q235鋼試樣進(jìn)行耐濕熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，水蒸氣直接與基體相接觸，由于對(duì)水分的吸附作用而在其表面形成了一層很薄的濕氣層―水膜，該水膜比表面積較大，具有很好的溶氧能力，氧易于快速擴(kuò)散至陰極表面而使得氧在微陰極區(qū)的去極化反應(yīng)速度明顯提高，加速了整個(gè)電化學(xué)腐蝕過程的進(jìn)行，所以基體表面呈現(xiàn)凹凸不平、嚴(yán)重銹蝕狀態(tài)。而Q235鋼涂覆環(huán)氧樹脂之后，水蒸氣和氧必須先借助滲透擴(kuò)散作用穿過環(huán)氧樹脂涂層，然后才能在涂層與碳鋼基體界面處不斷積累和擴(kuò)展，誘發(fā)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物，削弱了涂層與基體之問的結(jié)合，導(dǎo)致涂層起泡而逐漸失效。因此環(huán)氧樹脂涂層對(duì)Q235鋼基體起到了屏障作用，顯著提高了其耐蝕能力。
2.3 鹽水全浸實(shí)驗(yàn)分析
浸漬實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，結(jié)果比較直觀且真實(shí)地反映涂層的耐蝕性能。為環(huán)氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaCl溶液中浸泡168 h時(shí)的平均腐蝕速率，見圖2。
由實(shí)驗(yàn)可知，Q235鋼基體試樣表面自浸泡不久就出現(xiàn)了變色，24 h后表面已嚴(yán)重腐蝕，布滿了點(diǎn)蝕坑，基本上看不到完好的區(qū)域，168 h后基體表面堆積大量的紅銹，出現(xiàn)大塊剝離脫落現(xiàn)象，平均腐蝕速率達(dá)到282.2 mg／(m2?h)。而經(jīng)過環(huán)氧樹脂涂覆處理后，Q235鋼基體試樣的腐蝕速率下降顯著，浸泡168 h后仍保留有基本連成片的完好區(qū)域，僅有少量的局部鼓泡和紅銹斑點(diǎn)，未觀察到肉眼可見的剝離脫落現(xiàn)象，平均腐蝕速率僅有38.8 mg／(m2?h)，下降了86.3％以上。原因在于雖然環(huán)氧樹脂涂層是可滲透的，但通常具有很高的電解質(zhì)阻擋性，它成功阻擋和緩解了腐蝕性離子Cl-、H2O和O2等物質(zhì)向Q235碳鋼表面擴(kuò)散，有效地抑制了基體在NaCl溶液中的腐蝕速率，極大地改善了Q235碳鋼的耐蝕性能。
2.4 電化學(xué)阻抗譜分析
電化學(xué)阻抗譜技術(shù)是評(píng)價(jià)涂層耐蝕性能的有效手段，環(huán)氧樹脂涂覆前后Q235鋼試樣在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaCl溶液中開路電位下電化學(xué)阻抗譜的Bode模圖見圖3。
一般說(shuō)來(lái)，低頻段的阻抗值源自電解質(zhì)在涂層孔隙中擴(kuò)散的難易程度，可以用來(lái)評(píng)價(jià)涂層的耐腐蝕防護(hù)能力。它的數(shù)值愈大，電解質(zhì)在涂層孔隙中受到阻礙作用愈大，擴(kuò)散起來(lái)就愈不容易，從而證明涂層具有更低的孔隙率或電解質(zhì)擴(kuò)散至基體金屬表面的路徑越長(zhǎng)，更能有效地抑制基體金屬腐蝕的發(fā)生和發(fā)展；反之，電解質(zhì)在涂層孔隙中的擴(kuò)散會(huì)更加容易，基體金屬將更直接而迅速地受到腐蝕。
可以看出，在低頻端，與未經(jīng)任何處理的Q235鋼試樣相比，經(jīng)過環(huán)氧樹脂涂覆處理后，試樣的阻抗數(shù)值增加了3個(gè)多數(shù)量級(jí)，這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂涂層成功阻擋了H2O、Cl-、O2等向基體的擴(kuò)散，阻抗值顯著增加，自然為Q235鋼基體提供了優(yōu)良的保護(hù)。
3 結(jié)論
中性鹽霧、濕熱、鹽水全浸實(shí)驗(yàn)及電化學(xué)阻抗測(cè)試結(jié)果表明，Q235鋼涂覆環(huán)氧樹脂后，抑制了Cl-、H2O和O2等腐蝕性物質(zhì)向基體表面的擴(kuò)散，浸漬鹽水中的環(huán)氧樹脂涂層平均腐蝕速率較基體下降了86.3％以上，低頻阻抗數(shù)值增加了3個(gè)多數(shù)量級(jí)，顯著改善了Q235鋼的耐蝕能力。