涂料固含量對彩涂板耐蝕性能的影響

王永明，徐承明，肖 宇，李 嬙，張 宇，鐘 彬

（1.鞍鋼股份技術(shù)中心，鞍山114009；2.鞍鋼股份冷軋廠，鞍山114031）

彩色涂層鋼板兼?zhèn)溆袡C(jī)聚合物與鋼板兩者的優(yōu)點(diǎn)[1]，既有有機(jī)聚合物的良好耐蝕性、裝飾性，又有鋼板的高強(qiáng)度和易加工性，這就使有機(jī)涂層制成的產(chǎn)品具有優(yōu)良的實(shí)用性、裝飾性、加工性、耐久性。

彩涂板優(yōu)良的耐蝕性能主要是通過涂料經(jīng)固化在基板表面形成致密的有機(jī)涂層實(shí)現(xiàn)的，致密的涂層能夠有效阻礙侵蝕性粒子、水、氧及其他有害物質(zhì)與金屬接觸。影響彩涂板涂層致密性的因素很多，其中涂料固含量是重要的影響因素之一。將涂料烘烤至恒重，殘余量占試樣總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)即是涂料的固含量[2]。固含量太低，涂料有效成分少，起不到防護(hù)作用；固含量太高，會造成由于濕膜厚度過高而產(chǎn)生氣泡、漆膜流平性不佳等問題，影響涂層的致密性和均勻性，因此選擇合理的涂料固含量，既保證涂層有效成分含量，又控制涂層的致密均勻，從而保證彩涂板具有優(yōu)良的耐蝕性能。

電化學(xué)阻抗譜（EIS）通過向被測體系（介質(zhì)／涂層／金屬）施加擾動信號，測定系統(tǒng)的阻抗譜，利用等效模型分析獲得系統(tǒng)的電化學(xué)信息，成為研究有機(jī)涂層防腐蝕機(jī)理與性能的一種重要方法[3]。本工作通過測試彩涂板體系的電化學(xué)阻抗譜，分析不同固含量涂層彩涂板在不同浸泡時間下電化學(xué)阻抗譜的特征及變化趨勢，并通過建立等效電路圖研究涂料固含量對彩涂板耐蝕性能的影響，選擇合理的涂料固含量。

1 試驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

將厚度為0.45mm的熱鍍鋅鋼板加工成尺寸為220mm×160mm的樣板。面漆涂料選擇耐候型聚酯面漆，在Blue－M對流式烘烤爐中完成彩涂板樣品試制，后通過美國EG ＆E公司生產(chǎn)的M398電化學(xué)測試系統(tǒng)測試彩涂板電化學(xué)阻抗譜。

1.2 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)選取固含量為45%，50%，55%，60%和65%的涂料小樣作為面漆，所用熱鍍鋅基板依次經(jīng)過脫脂處理、酸性表面調(diào)整處理和鉻酸鹽鈍化處理，將涂料小樣涂覆在經(jīng)過前處理的熱鍍鋅基板表面，在烘烤溫度232℃條件下固化后得到不同固含量涂層的彩涂板樣板，涂層膜厚為16μm。

將彩涂板樣板加工成尺寸為100mm×50mm的試片，浸泡在濃度為3.5%的NaCl水溶液中，測量不同浸泡時間條件下試片的電化學(xué)阻抗譜。

電化學(xué)試驗(yàn)裝置采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），電解液為3.5%NaCl溶液，掃描速率為0.166mV／s；電化學(xué)阻抗試驗(yàn)所用的正弦電壓信號幅值為10mV作為激勵信號，掃描頻率范圍為1×105Hz～1×10－2Hz。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Power Suite軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與討論

彩涂板涂層體系在不同的腐蝕階段體現(xiàn)出不同的電化學(xué)特性，其等效電路如圖1所示。其中，（a）為體系腐蝕初期的等效電路圖，（b）為腐蝕中、后期涂層體系的等效電路圖。圖中，Rs為溶液電阻；Rc和Cc分別為涂層的電阻、電容；Rct和Cdl則分別為金屬基材的腐蝕反應(yīng)電阻及雙電層電容，因此電化學(xué)阻抗譜圖前期表現(xiàn)為一個時間常數(shù)特征，而中、后期則表現(xiàn)為兩個時間常數(shù)特征[4]。通過時間常數(shù)特征可判斷出涂層體系所處的腐蝕階段，結(jié)合阻抗模的大小，分析涂層體系防護(hù)的有效性。

圖1 涂層在不同腐蝕階段的等效電路圖

2.1 彩涂板浸泡41h后電化學(xué)阻抗譜

對試片浸泡41h后的彩涂板進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測試，測試結(jié)果見圖2。

由試樣浸泡41h后的電化學(xué)阻抗譜可以看出，測試體系的Bode圖近似為斜率為－1的一條直線，固含量為45%，50%，60%和65%的試樣低頻阻抗模接近，在106～107Ω·cm2之間，固含量為55%的試樣的低頻阻抗模達(dá)到108Ω·cm2，明顯高于其他固含量的試樣。其Nyquist圖譜高頻部分表現(xiàn)為與實(shí)軸近似垂直的一條直線，這表明腐蝕初期的有機(jī)涂層相當(dāng)于一個電阻值很大，電容值很小的隔絕層，較好地隔絕了腐蝕介質(zhì)與基體的直接接觸，從而使得基體金屬得到很好的保護(hù)。

圖2 浸泡41h后彩涂板電化學(xué)阻抗譜

2.2 彩涂板浸泡668h后電化學(xué)阻抗譜

對試片浸泡668h后的彩涂板進(jìn)行電化學(xué)阻抗測試，測試結(jié)果見圖3。

當(dāng)試片浸泡時間延長至668h時，Nyquist圖譜中就出現(xiàn)一個高頻區(qū)的小容抗弧和一個低頻區(qū)的大容抗弧，開始出現(xiàn)兩個時間常數(shù)特征，表明腐蝕介質(zhì)已經(jīng)開始通過涂層中的微孔不斷向基體滲入，涂層的屏蔽作用有所降低。同時由Bode圖也看出，此時涂層的低頻阻抗模值與浸泡初期相比，已降低了1個數(shù)量級，小于107Ω·cm2，表明涂層的防護(hù)性能已有了較大幅度降低。由Nyquist圖譜中高頻區(qū)容抗弧半徑大小可以看出，固含量為55%的彩涂板防護(hù)性能仍然優(yōu)于其他固含量水平的彩涂板。

2.3 彩涂板浸泡1 268h后電化學(xué)阻抗譜

對試片浸泡1 268h后的彩涂板進(jìn)行電化學(xué)阻抗測試，測試結(jié)果見圖4。

圖3 浸泡668h后彩涂板電化學(xué)阻抗譜

圖4 浸泡1 268h后彩涂板電化學(xué)阻抗譜

隨著試樣浸泡時間的不斷延長，代表體系阻抗大小的高頻區(qū)容抗弧半徑也不斷變小，當(dāng)浸泡時間達(dá)到1 268h時，Bode圖譜中涂層的低頻阻抗模值己經(jīng)小于106Ω·cm2，這表明，涂層對水及腐蝕粒子阻擋能力已經(jīng)降到很低，涂層／金屬界面可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，有機(jī)涂層的防護(hù)作用已基本失效。其中固含量為55%的試樣防護(hù)性能仍然好于其他固含量水平的試樣。

綜合不同固含量試樣在不同浸泡時間條件下電化學(xué)阻抗譜的變化趨勢可以看出，試樣在不同浸泡時間體現(xiàn)出其相應(yīng)的交流阻抗特性，且變化明顯，其中固含量為55%的試樣防護(hù)性能最優(yōu)，固含量為60%的試樣次之，固含量為50%的試樣防護(hù)性能最差。原因是涂料固含量太低會導(dǎo)致具有防護(hù)性能的有效成分含量減少，對水及腐蝕粒子的阻擋能力降低，從而使體系的耐蝕性能下降。而過高的固含量會使涂料的流平性變差或濕膜變厚而產(chǎn)生氣泡，在烘烤固化的過程中產(chǎn)生的氣泡變成微孔，使涂層的均勻性和致密性變差，水及腐蝕粒子容易通過微孔滲透到基板與涂層間的界面，并形成局部電池，發(fā)生膜下腐蝕，降低彩涂板的耐蝕性能。因此，在彩涂板生產(chǎn)時應(yīng)選擇合理的涂料固含量，使涂料中的有效成分起到防護(hù)作用，同時不影響涂料的流平性，形成均勻致密的有機(jī)涂層，保證彩涂板產(chǎn)品的耐蝕性能不受影響。

3 結(jié)論

（1）不同固含量彩涂板在不同浸泡時間條件下體現(xiàn)出其相應(yīng)的電化學(xué)阻抗特性，且變化明顯，其中固含量為55%的彩涂板耐蝕性能最好，固含量為60%的彩涂板次之，固含量為50%的彩涂板耐蝕性能最差。

（2）在彩涂板生產(chǎn)時應(yīng)選擇合理的涂料固含量，使涂料中的有效成分起到防護(hù)作用，同時不影響涂層的致密性和均勻性，保證彩涂板產(chǎn)品的耐蝕性能不受影響。

[1]朱立，徐小連.彩色涂層鋼板技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]張鳳珍，白保安，吳廷松.彩色卷鋼涂料涂膜檢測方法比較[J].昆鋼科技，2005，2：17－22.

[3]于武剛，張啟富，黃建中.納米TiO2涂層耐蝕性及抗紫外老化性能研究[J].材料保護(hù)，2008，41（2）：14－16.

[4]李水冰.幾種涂層體系在海水紫外光聯(lián)合作用下的失效機(jī)理及其電化學(xué)阻抗譜分析[D].北京：北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.