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顏料體積濃度對水性環(huán)氧防腐涂料性能影響
                                                                       來源:中國顏料供應(yīng)商網(wǎng)

     摘要:考察了顏料體積濃度對水性環(huán)氧防腐涂料性能的影響,通過電極電位監(jiān)測、鹽霧實驗和交流阻抗譜等測試技術(shù)對不同顏料體積濃度的試樣進行了性能檢測,根據(jù)不同涂層的阻抗譜特征以及涂層的結(jié)構(gòu)特點,提出了浸泡45d后涂層阻抗譜的等效電路模型,確定了該水性環(huán)氧防腐涂料的最佳顏料體積濃度。

    關(guān)鍵詞:防腐涂料;交流阻抗;等效電路;顏料體積濃度

    0引言

    顏料體積濃度(PVC)在涂料配方設(shè)計中是一個很重要的參數(shù),對涂料的制備、涂裝工藝和涂層的性能有著直接的影響,尤其對防腐涂料的性能影響更為明顯。涂料的最佳顏料體積濃度(OPVC)是指涂料性能達到最佳時涂料的顏料體積濃度,不同涂料的OPVC有很大的差別,在涂料配方設(shè)計中,可以根據(jù)涂料預(yù)期的性能指標和臨界顏料體積濃度(CPVC)來確定顏料和樹脂的配比。

    水性環(huán)氧防腐涂料的PVC對涂層的電化學(xué)、防腐等性能有很大的影響,如果向乳液中加入顏料過少,顏料粒子不能連續(xù),顏料難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用,導(dǎo)致涂層的耐腐蝕等性能下降,如果向乳液中加入顏料過多,將導(dǎo)致樹脂不能完全包覆顏料粒子,涂膜的致密性下降,從而影響涂膜的耐久性;此外,水性環(huán)氧涂料的表干時間隨著PVC的增大而縮短,因為水性環(huán)氧涂料的干燥涉及到兩個過程,即水分的揮發(fā)及固化反應(yīng)的進行。水性環(huán)氧涂料的表干時間主要決定于固化反應(yīng)的進行,PVC增大時,涂層表面基料所占的比例減少,因而表干時間縮短,但同時光澤也降低?梢婎伭象w積濃度過高或過低,涂膜均早期失效。因此確定適合的顏料體積濃度對防腐涂料很有必要。

    1實驗部分

    1.1交流阻抗的測試裝置及測量程序

    本實驗采用美國普林斯頓公司的352腐蝕測試系統(tǒng)和powersine阻抗測試系統(tǒng),測量頻率范圍是100kHz~10MHz,幅值為20mV。顏料的溶解速度可以根據(jù)交流阻抗Nyquist圖高頻弧的阻抗Rc來確定,交流阻抗圖譜中Cc、Warburg系數(shù)8w的量級與穩(wěn)定性等參數(shù)一起成為重要的綜合判據(jù)。交流阻抗測試系統(tǒng)見裝置方框圖如圖1所示。

圖1

 

    1.2電化學(xué)測試

    1.2.1鹽水浸泡實驗

    將研究的涂層試樣在3%NaC1水溶液中浸泡,觀察試樣表面涂層的狀態(tài)變化及腐蝕情況,觀察溶液的色澤、沉淀物或絮狀物的變化。平行試樣3個,凡試樣表面出現(xiàn)銹點、鼓泡或滲黃色現(xiàn)象均為涂層失效,其防腐蝕性能采用對基體金屬平均的有效保護壽命,即涂層失效前的浸泡時間來表示。

    1.2.2電極電位監(jiān)測

    以飽和甘汞電極為參比電極,采用數(shù)字式萬用表測試涂層在3%NaC1水溶液中浸泡下的電位和涂層電阻。觀察記錄涂層試板電位發(fā)生顯著變化的時刻,確定涂層電位停留在各段較正或較負的電位范圍內(nèi)的維持時間,直至涂層發(fā)生腐蝕失效為止。電極電位值反映基體金屬得到陰極保護的程度。

    1.2.3涂層最佳顏料體積濃度測試

    把具有不同顏料體積濃度的涂料分別制成試板,放在3%NaC1溶液中浸泡,測量對比不同顏料體積濃度涂層對鋼鐵基體防腐的有效保護壽命。把有效保護壽命最長的顏料體積濃度作為最佳顏料體積濃度。

    1.3耐鹽霧實驗

    中性鹽霧實驗是使用非常廣泛的一種人工加速腐蝕的實驗方法,適用于檢驗多種金屬材料和涂層。根據(jù)GB1765—1979(色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》,將樣品暴露于鹽霧實驗箱中,實驗時噴入經(jīng)霧化的實驗溶液,鹽霧在自重的作用下均勻地沉降在試樣表面。實驗溶液為5%NaC1(質(zhì)量分數(shù))溶液,其中總固體含量不超過200×10~,pH范圍為6.5—7.2。實驗時鹽霧箱內(nèi)溫度恒定在(35±1)℃。試樣放入鹽霧箱時,應(yīng)使受檢驗的主要表面與垂直方向成(15—3O)。。一般規(guī)定在8Oom水平面積上,鹽霧量平均1—2mk/h。

    此外,本文討論的是犧牲型涂料的耐腐蝕性能,特別強調(diào)碳鋼基體在暴露于腐蝕介質(zhì)中時漆膜對基體的陰極保護作用,因此在試樣制作完成后用單面刀片在涂層表面劃兩道夾角為60。、長6—7om的劃痕,劃痕應(yīng)該到達基體,觀察試樣劃痕在鹽霧腐蝕下出現(xiàn)銹蝕及涂層出現(xiàn)起皮和鼓泡的時間,以此來判定涂層的耐腐蝕性能。

    2結(jié)果與討論

    2.1PVC對涂層電位及耐腐蝕性能的影響

    對不同PVC下的涂層電位和腐蝕性能進行了測試,其中鹽水浸泡實驗條件:溫度為室溫;電解質(zhì)為3%NaC1溶液。鹽霧實驗條件:溫度為35oC;鹽水濃度為5%;試片劃長8om夾角60。的叉型劃痕;實驗時間480h。表1列出了不同顏料體積濃度下的涂層電位和腐蝕性能測試結(jié)果。

表1

 

    表1的實驗結(jié)果表明:水性環(huán)氧涂料的PVC對涂層的防腐性能有很大的影響,當(dāng)PVC為25%和30%時,A1一Mg—Zn合金顏料在涂層中含量很低,顏料顆粒之間無法連續(xù),當(dāng)鹽霧及鹽水在劃痕上形成腐蝕時,劃痕處只有少數(shù)的顏料顆粒和碳鋼基體接觸,顏料難以發(fā)揮陰極保護作用,導(dǎo)致陰極保護效果較差,劃痕很快出現(xiàn)銹蝕。PVC為4o%和45%的涂膜,由于A1一Mg—Zn合金顏料含量太高,樹脂不能完全包覆顏料粒子,涂膜的致密性下降,從而影響涂膜的防腐性能;當(dāng)PVC為35%時,涂層具有最佳的防腐性能,鹽霧實驗480h后劃痕完好無銹,按照GB/T10125m1997,耐鹽霧等級為1級。鹽水浸泡182d后電位仍在一0.77V以下,表明涂層能夠?qū)w金屬進行完全陰極保護。適宜的顏料添加量應(yīng)當(dāng)使顏料在厚度為顏料粒徑的3—4倍的涂層中處于半連續(xù)狀態(tài),顏料與基體連續(xù),但它們之間不連續(xù)。此時顏料體積濃度雖然較低,但合金粉體仍具有良好的陰極保護能力。

    2.2 PVC對涂層交流阻抗的影響

    圖2中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別是PVC為25%、30% 、35% 、4o%、45% 時以涂刷施工制得的涂層在3%NaC1水溶液中浸泡45 d時間后的交流阻抗圖譜。

交流阻抗圖譜

 

    圖2(a)為PVC等于25% 時的涂層阻抗圖譜,在浸泡45 d后具有2個時間常數(shù),此時涂層阻抗的物理模型[等效電路RS(CcRc)(RtCd)]見圖3。

交流阻抗圖譜

 

    圖2(b)為PVC等于30% 時的涂層阻抗圖譜,其交流阻抗圖譜的低頻部分可以觀察到一條直線,與實軸夾角為45。,即Warburg阻抗,表明溶液已與顏料接觸。根據(jù)該涂層的阻抗譜特征以及涂層的結(jié)構(gòu)特點,提出了浸泡45 d后涂層的阻抗譜的物理模型[等效電路Rs(Cc(RcZw))]見圖4。

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    圖2(C)為PVC等于35%時的涂層阻抗圖譜,其交流阻抗譜呈現(xiàn)1個時間常數(shù)的特征,涂層電阻為7.32×10 n,說明該涂層對介質(zhì)具有較強的屏蔽隔離作用。根據(jù)涂層的阻抗特征以及涂層的結(jié)構(gòu)特點,提出了該涂層阻抗的物理模型[等效電路R (c R )]見圖5。

圖5

 

    圖2(d)及(e)為PVC等于40% 和45%時的涂層阻抗圖譜,其交流阻抗譜呈現(xiàn)2個時間常數(shù),提出了浸泡中期涂層的阻抗譜的物理模型[等效電路Rs(CcRc)(CdRt)]見圖6。

圖6

圖6

 

    將圖2中的5個圖譜應(yīng)用電化學(xué)軟件解析的阻抗結(jié)果列于表2中。

表2

 

    從表2可以看出,當(dāng)PVC小于35% 時,涂層阻抗是隨著PVC提高而提高的,當(dāng)PVC大于35% 時,涂層阻抗反而隨著PVC提高而下降。這是因為當(dāng)PVC較低時,一道有效厚度較低,隔離屏蔽能力較差,顏料連續(xù)程度也低,對于基體的陰極保護能力也差。提高PVC,可以顯著提高涂層的介質(zhì)隔離能力,同時也提高了顏料的連續(xù)程度,在涂層出現(xiàn)微觀缺陷時起到有效的陰極保護作用。但是對于水性A1一Mg—Zn合金環(huán)氧防腐涂料來說,當(dāng)PVC上升到一定程度時,樹脂不能很好的包裹金屬粒子,導(dǎo)致涂層內(nèi)部微觀缺陷增加,從而使得涂層的阻抗降低。

    3 結(jié)語

    通過電極電位監(jiān)測、鹽霧實驗和交流阻抗譜等測試技術(shù)對不同顏料體積濃度的試樣進行了性能測試,對不同PVC下涂層的阻抗譜提出等效電路模型并進行解析,最終確定了該水性環(huán)氧防腐涂料的OPVC為35%。

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