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

彩色涂層鋼板兼備有機聚合物與鋼板兩者的優點[1]，既有有機聚合物的良好耐蝕性、裝飾性，又有鋼板的高強度和易加工性，這就使有機涂層制成的產品具有優良的實用性、裝飾性、加工性、耐久性。

彩涂板優良的耐蝕性能主要是通過涂料經固化在基板表面形成致密的有機涂層實現的，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，殘余量占試樣總質量的百分數即是涂料的固含量[2]。固含量太低，涂料有效成分少，起不到防護作用；固含量太高，會造成由于濕膜厚度過高而產生氣泡、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良的耐蝕性能。

電化學阻抗譜（EIS）通過向被測體系（介質／涂層／金屬）施加擾動信號，測定系統的阻抗譜，利用等效模型分析獲得系統的電化學信息，成為研究有機涂層防腐蝕機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

1.1 原料與設備

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公司生產的M398電化學測試系統測試彩涂板電化學阻抗譜。

1.2 試驗條件

本試驗選取固含量為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過脫脂處理、酸性表面調整處理和鉻酸鹽鈍化處理，將涂料小樣涂覆在經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阻抗譜。

電化學試驗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；電化學阻抗試驗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。試驗數據采用Power Suite軟件進行分析處理。

2 結果與討論

彩涂板涂層體系在不同的腐蝕階段體現出不同的電化學特性，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電阻及雙電層電容，因此電化學阻抗譜圖前期表現為一個時間常數特征，而中、后期則表現為兩個時間常數特征[4]。通過時間常數特征可判斷出涂層體系所處的腐蝕階段，結合阻抗模的大小，分析涂層體系防護的有效性。

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后電化學阻抗譜

對試片浸泡41h后的彩涂板進行電化學阻抗譜測試，測試結果見圖2。

由試樣浸泡41h后的電化學阻抗譜可以看出，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圖譜高頻部分表現為與實軸近似垂直的一條直線，這表明腐蝕初期的有機涂層相當于一個電阻值很大，電容值很小的隔絕層，較好地隔絕了腐蝕介質與基體的直接接觸，從而使得基體金屬得到很好的保護。

圖2 浸泡41h后彩涂板電化學阻抗譜

2.2 彩涂板浸泡668h后電化學阻抗譜

對試片浸泡668h后的彩涂板進行電化學阻抗測試，測試結果見圖3。

當試片浸泡時間延長至668h時，Nyquist圖譜中就出現一個高頻區的小容抗弧和一個低頻區的大容抗弧，開始出現兩個時間常數特征，表明腐蝕介質已經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個數量級，小于107Ω·cm2，表明涂層的防護性能已有了較大幅度降低。由Nyquist圖譜中高頻區容抗弧半徑大小可以看出，固含量為55%的彩涂板防護性能仍然優于其他固含量水平的彩涂板。

2.3 彩涂板浸泡1 268h后電化學阻抗譜

對試片浸泡1 268h后的彩涂板進行電化學阻抗測試，測試結果見圖4。

圖3 浸泡668h后彩涂板電化學阻抗譜

圖4 浸泡1 268h后彩涂板電化學阻抗譜

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容抗弧半徑也不斷變小，當浸泡時間達到1 268h時，Bode圖譜中涂層的低頻阻抗模值己經小于106Ω·cm2，這表明，涂層對水及腐蝕粒子阻擋能力已經降到很低，涂層／金屬界面可能發生電化學腐蝕反應，有機涂層的防護作用已基本失效。其中固含量為55%的試樣防護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阻抗譜的變化趨勢可以看出，試樣在不同浸泡時間體現出其相應的交流阻抗特性，且變化明顯，其中固含量為55%的試樣防護性能最優，固含量為60%的試樣次之，固含量為50%的試樣防護性能最差。原因是涂料固含量太低會導致具有防護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生氣泡，在烘烤固化的過程中產生的氣泡變成微孔，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，發生膜下腐蝕，降低彩涂板的耐蝕性能。因此，在彩涂板生產時應選擇合理的涂料固含量，使涂料中的有效成分起到防護作用，同時不影響涂料的流平性，形成均勻致密的有機涂層，保證彩涂板產品的耐蝕性能不受影響。

3 結論

（1）不同固含量彩涂板在不同浸泡時間條件下體現出其相應的電化學阻抗特性，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）在彩涂板生產時應選擇合理的涂料固含量，使涂料中的有效成分起到防護作用，同時不影響涂層的致密性和均勻性，保證彩涂板產品的耐蝕性能不受影響。

[1]朱立，徐小連.彩色涂層鋼板技術[M].北京：化學工業出版社，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，2008，41（2）：14－16.

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