有機-無機納米聚硅氧烷涂料的耐蝕性研究

邢新俠,甘志宏

(中國特種飛行器研究所,湖北荊門448035)

有機-無機納米聚硅氧烷涂料的耐蝕性研究

邢新俠,甘志宏

(中國特種飛行器研究所,湖北荊門448035)

摘.要.目的研究有機-無機納米聚硅氧烷涂料的耐蝕性。方法將涂層試樣制作劃痕后,采用鹽霧試驗方法和鹽溶液周浸試驗方法進行加速腐蝕試驗,采用最大剝落值對涂層剝落程度進行量化考核。結果獲得了4種涂料在試驗環境下的腐蝕失效模式、失效過程、失效程度、以及涂層損傷隨加速腐蝕時間的變化規律等方面的試驗數據。結論在鹽霧試驗中,涂層的失效模式主要是剝落,鹽溶液周浸試驗主要是剝落和鼓泡。在鹽霧腐蝕環境下,3#涂料耐蝕性最佳,在周浸腐蝕環境下1#涂料耐蝕性最佳。采用最大剝落值對涂層的剝落程度進行量化考核是可行的。

涂料;耐蝕性;鹽霧試驗;鹽溶液周浸試驗

水上飛機多在海洋環境下服役,海洋環境十分惡劣,具有風浪大、濕度大、溫差大、鹽霧重、大氣污染重等特點,腐蝕問題非常嚴重[1—4]。腐蝕在很大程度上降低了裝備的安全性、戰備完好性和作戰效能的發揮,同時也造成巨大的經濟損失。因此水上飛機在設計中要根據產品的使用特點、壽命、環境、防護目的等合理地選擇表面防護涂層。這可以有效地控制金屬材料的腐蝕,提高飛機抗蝕性能[5—6]。有機-無機納米聚硅氧烷涂料具有優異的耐久性、高固體分、低VOC和非異氰酸酯固化等優勢,成為取代傳統面漆的理想產品[7—10]。文中通過對有機-無機納米聚硅氧烷涂料試樣制作劃痕,開展中性鹽霧試驗和酸性鹽溶液周浸試驗,研究了4種納米聚硅氧烷涂料的耐腐蝕性能[11—12],為評定水上飛機候選涂層的抗腐蝕品質和實驗室加速腐蝕環境譜的編制提供了參考。

1 試驗

采用中性鹽霧試驗模擬水上飛機停放的環境,測試涂層的耐鹽霧性能。采用酸性鹽溶液周浸試驗方法模擬飛機干濕交替的服役環境,測試涂層的耐酸性鹽水周期浸泡性能。

1.1 試樣

平板試樣(試片)材質為2A12鋁合金,每種涂層制備7件平行試樣,其中1件備用,3件用于鹽霧試驗,3件用于鹽溶液周浸試驗。鋁板經過硫酸陽極化處理,用丙酮清洗干凈后烘干,浸涂涂料,所用涂料為納米金屬氧化物和特殊的硅烷。基于溶膠-凝膠(sol-gel)技術制備而成的有機-無機聚硅氧烷復合涂料,除3#為1K Clearcoat-U-SIL110(Nano Tech Coatings,GMBH)外,其余為國內研究院所自主研發。膜層固化后,測量漆膜厚度。試樣沿對角線預制2條交叉劃痕,劃痕應劃透涂層及陽極化膜層至底材,且劃痕離試板的任一邊緣大于20 mm。試樣相關信息見表1。

1.2 試驗設備

采用VSC1000鹽霧試驗箱和ZJF-100周期浸潤試驗箱進行加速腐蝕試驗。

表1 試樣詳情Table 1 Information of the samples

1.3 試驗方法

1.3.1鹽霧試驗

按照GJB 150.11—86軍用設備環境試驗方法進行鹽霧試驗[13],采用中性鹽溶液連續噴霧。試驗溫度為35℃,鹽溶液為(5±1)%的氯化鈉溶液,pH值為6.5～7.2,鹽霧沉降量為1～2 mL/(80 cm2· h)。試驗周期32天。

1.3.2鹽溶液周浸試驗

按照 GB/T 19746—2005進行鹽溶液周浸試驗[14]。試驗溶液溫度為40℃(采用定制恒溫水浴槽控制),試驗相對濕度為(60±5)%(試驗過程中設備敞開),試驗溶液為(50±5)g/L的氯化鈉溶液,用稀硫酸和稀硝酸調節溶液pH值為3.5±0.1,暴露時間選用浸漬1.5 min和干燥13.5 min。試驗周期為21天。

1.4 檢測

鹽霧試驗每4天檢測1次試樣外觀,鹽溶液周浸試驗每天觀察1次外觀,如遇開箱可適當縮短檢測周期,拍照記錄外觀形貌。為便于比較,采用最大剝落值描述劃痕處涂層的剝落情況。最大剝落值即圖1中垂線段ef的長度。

圖1 最大剝落值示意Fig.1 Sketch of the maximum value of peeling

2 結果與分析

2.1 劃痕處涂層剝落情況

對鹽霧試驗試樣和周浸試驗試樣劃痕處涂層的最大剝落值進行測量,對同種漆膜3個平行試樣的最大剝落值求取平均值作圖,如圖2所示。

圖2 劃痕處涂層剝離情況Fig.2 The coatings＇peeling status of the scratch site

由圖2a可見,鹽霧試驗結束時,試樣劃痕處涂層的剝落程度依次是:2#＞1#＞4#＞3#。在鹽霧試驗18天后各涂層試樣曲線基本趨于直線,剝落擴展速度基本恒定。比較涂層剝落速度(直線斜率),依次為:2#=1#＞4#＞3#。由圖2b可見,周浸試驗結束時,試樣劃痕處的涂層的剝落程度依次是:2#＞4#＞1#＞3#。在周浸試驗12天后各試樣曲線基本趨于直線,剝落擴展速度基本恒定。比較涂層剝落速度(直線斜率),依次為:2#＞1#＞4#＞3#。由圖2可見,兩種試驗中3#涂層均未發生明顯的剝落現象,2#涂層剝落最為嚴重。

2.2 鼓泡情況

鹽霧試驗中,各涂層試樣均未出現鼓泡現象。周浸試驗中涂層試樣的鼓泡情況比較嚴重。其中比較特殊的是3#涂層試樣,鹽霧試驗結束時,3#涂層表面光滑如初,受到鹽霧影響不大。周浸試驗中3#涂層試樣在第1周期就出現了廣布不連續的蝕點,后隨試驗的進行,蝕點逐漸衍變為鼓泡,試驗結束(21天)時,涂層表面鼓泡發生破裂,蝕點完全連成一體。3#涂層試樣在鹽霧試驗第32天時的宏觀形貌如圖3a所示,3#涂層試樣在試驗第6天和第21天時的宏觀形貌分貝如圖3b和圖3c所示。出現這種情況主要是由于這兩種腐蝕試驗的腐蝕溶液和試驗方法不同而引起的。周浸試驗時,試樣處于干濕交替的狀態,試驗溫度和腐蝕溶液的氫離子含量高于鹽霧試驗,同時還受到烘烤燈加熱的作用,涂層的部分分子鍵遭到破壞,抗滲透性下降。此外由于氫離子的催化作用,復合涂層體系還會進一步發生水解反應,以致涂層難以形成完整致密的保護層。這樣有害介質就會滲入涂層,達到涂層/金屬界面,形成微觀腐蝕原電池[15],繼而鋁合金底材發生點蝕。隨著腐蝕產物的增加,漆膜逐漸被頂起,形成了大面積的鼓泡。由于3#涂層存在這樣巨大性能差異,其只宜用于飛機飛機內部。

圖3 3#涂層試樣照片Fig.3 Images of 3#coating samples

鹽溶液周浸試驗中各試樣的蝕點和鼓泡情況見表2。由表2可知,1#和4#涂層耐酸性鹽水周期浸泡性能較好。雖然4#比1#先出現鼓泡,但在試驗結束時二者鼓泡總個數和最大直徑是相同的。這說明4#涂層試樣鼓泡變大的速度比1#小。這與從剝落曲線上得到的4#涂層小于1#涂層剝落速度的結果是一致的。

2.3 試樣宏觀形貌分析

1#,2#,4#涂層試樣在鹽霧試驗第32天和周浸試驗第21天時的宏觀形貌如圖4所示。由于試樣邊緣的剝落情況受多種因素的影響,如浸涂工藝、試樣邊緣的磨損程度、邊緣效應等,故不宜將試樣邊緣涂層剝落情況作為主要的篩選依據,但仍有一定的參考價值。由圖4可見,相對1#涂層試樣,在兩種腐蝕試驗環境下4#涂層試樣邊緣剝落情況均較嚴重,2#涂層試樣最為嚴重。

表2 周浸試驗中涂層鼓泡情況Table 2 Blistering of coatings in alternate immersion test

圖4 周期浸潤試驗21天和鹽霧試驗32天各試樣宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of each sample after twenty-one days＇alternate immersion test and thirty-two days＇salt fog test

3 結論

1)鹽霧試驗涂層試樣的主要失效形式是剝落,周浸試驗涂層試樣主要是剝落和鼓泡。綜合考慮各涂層試樣的剝落、鼓泡情況、起始破壞時間及各試樣最終宏觀形貌,在鹽霧腐蝕環境下,3#涂料耐蝕性最好,1#涂料次之,2#涂料最差;在周浸腐蝕環境下,1#涂料耐蝕性最好,4#涂料次之,3#涂料最差。

2)采用最大剝落值對涂層的剝落情況進行量化考核是可行的。該方法除了可直觀比較各涂層的耐剝落性能外,還可用于分析各涂層剝落情況隨試驗時間的變化規律,預測涂層剝落速度。

3)鑒于3#涂層在兩種加速腐蝕試驗中巨大性能差異,3#涂層只宜作為飛機內部的裝飾性面漆。

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Research on the Corrosion Resistance of Organic-Inorganic Nano Polysiloxane Coatings

XING Xin-xia,GAN Zhi-hong
(Special Vehicle Research Institute of China,Jingmen 448035,China)

Objective To study the corrosion resistance of organic-inorganic nano polysiloxane coatings.Methods According to the salt spray test method and salt solution alternate immersion test method,the accelerated corrosion tests were conducted on the coated samples with scratches.The maximum peeling value was used to quantitatively assess the peeling degree of coatings.Results Corrosion failure mode,corrosion degradation process,corrosion damage extent,and the change disciplinarian of corrosion damage extent with the accelerated corrosion time were obtained for the four kinds of coatings in the test environment.Conclusion The major failure mode of coatings in salt fog test was peeling,while the major modes in salt solution alternate immersion test were peeling and blistering.In the salt spray corrosion environment,3#coating had the best corrosion resistance,and in the alternate immersion corrosion environment,1#coating had the best corrosion resistance.Using the maximum peeling value to quantitatively assess the peeling degree of coatings was practical.

coating;corrosion resistance;salt fog test;salt solution alternate immersion test

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.011

V250.2;TG174.2

:A

1672-9242(2014)06-0065-05

2014-07-07;

2014-07-27

Received:2014-07-07;Revised:2014-07-27

邢新俠(1981—),女,河北南宮人,碩士,工程師,主要研究方向為腐蝕防護與控制。

Biography:XING Xin-xia(1981—),Female,from Nangong,Hebei,Master,Engineer,Research focus:corrosion prevention and control.