鍍鋅鋼構件涂層抗腐蝕性能試驗及研究★

邵建軍 王榮華 汪嘉偉 李奇昱 侯開儒 張大長

(1.鹽城電力設計院有限公司，江蘇 鹽城 224002； 2.南京工業大學土木工程學院，江蘇 南京 211816)

輸電桿塔大都架設在空曠的野外，包括森林山區、沿海地區、污染嚴重的重工業區等。由于長期運行于戶外露天環境，輸電鐵塔承受著不同程度的自然條件侵蝕，塔材腐蝕逐年加重，如圖1所示。長期以來，為了防止腐蝕的發生，工程上采用多種技術對金屬構件加以保護。其中，最直接有效且常用的方法就是在金屬表面涂防腐涂料。防腐涂料隔絕了金屬表面與腐蝕介質的接觸，阻斷了金屬發生腐蝕的必要條件，從而達到延緩和阻止腐蝕的目的。水性聚氨酯是一種黏附性能、耐磨損性能、化學穩定性、耐寒性能優良的高分子材料[1-3]，最早由德國科學家研發而成；聚乙烯具有一定的耐腐蝕性能、耐水滲透性能，其生產效率高并且可以長期使用，已被廣泛用作油氣管道的外防腐涂層材料[4，5]。雖然聚氨酯與聚乙烯涂料在金屬防腐方面具有一定的效果，但對于輸電桿塔的鍍鋅構件防腐效果還有待研究。

本文對表面噴涂有氯磺化聚乙烯和聚氨酯的鍍鋅鋼試塊進行模擬海水腐蝕試驗，并以涂層厚度為參數，研究其防腐效果及附著力隨著腐蝕時間的變化規律從而探究氯磺化聚乙烯及水性聚氨酯涂層對于鍍鋅構件的防腐性能。

1 試驗概況

1)試件設計。基體材料為鍍鋅鋼試塊，尺寸為50 mm×50 mm×4 mm。試驗噴涂的防腐材料分別為水性聚氨酯與氯磺化聚乙烯，之后按照GB/T 1727—1992漆膜一般制備法將涂料均勻噴涂在鋼板上，水性聚氨酯與氯磺化聚乙烯涂層的厚度分為薄(B)、中(H)、厚(T)，每種涂層厚度的試件數量均為6個，其中薄(B)為噴涂一次，中(H)為噴涂兩次，厚(T)為噴涂3次。之后在浸泡試驗規定時間期限(2 d/4 d/6 d)取一塊進行劃格試驗，其余試件進行厚度的測量。涂層固化方法為：噴涂完后在室溫下放置15 min～30 min，再置于60 ℃烘箱中固化24 h。涂料厚度采用千分尺進行測量并記錄。為了后續試驗各項指標的測定，將每個試件進行標號，B厚度聚氨酯涂層的試件標記為①～⑥；B厚度聚乙烯涂層的試件標記為1～6；H厚度聚氨酯涂層的試件標記為H①～H⑥；H厚度聚乙烯涂層的試件標記為H1～H6；T厚度聚氨酯涂層的試件標記為T①～T⑥；T厚度聚乙烯涂層的試件標記為T1～T6。采用電子千分尺對所有腐蝕前的試件進行試件初始厚度及刷涂聚乙烯/聚氨酯后的試件總厚度進行測量并記錄，如表1所示。

表1 腐蝕前試件涂層厚度

2)腐蝕試驗。根據GB 10124—1988金屬材料試驗室均勻腐蝕全浸試驗方法[6]進行不同厚度聚乙烯/聚氨酯的鍍鋅鋼實驗室加速腐蝕試驗，具體過程如下：配置35 g/L的氯化鈉溶液，調節pH值為6.5～7.2之間，調節試驗溫度為(25±2) ℃，試驗在耐腐蝕的塑料箱中進行。定期檢查試板，同時注意不應損傷受試表面。在規定的試驗周期結束時，從設備中取出試板，用清潔的溫水沖洗以除去試板表面上的試驗溶液殘留物，而后立即把試板弄干并檢查試板表面的損壞現象，如起泡、生銹等。

3)附著力試驗。按照GB/T 9286—1998色漆和清漆漆膜的劃格試驗測試涂層的附著力，在樣板上至少進行3個不同位置試驗。具體過程如下：先將表面覆有涂層的鍍鋅試塊固定在堅硬、平直的物面上，以防在試驗過程中樣板的任何變形，然后將刀具垂直于樣板表面對切割道具均勻施力，用均勻的切割速率在涂層上劃出規定的切割數。使用軟毛刷清理后將膠帶均勻完全粘附在劃格上，5 min內呈60°用力平穩撕開，觀察剝離網格數目，據此判斷涂層的附著力等級。

2 試驗結果及分析

2.1 腐蝕形貌及產物分析

在海水模擬液(3.5wt%NaCl)進行全浸試驗2 d/4 d/6 d后的表面后聚乙烯涂層已經出現了點蝕現象，在全浸試驗6 d后，未噴涂防腐涂層的鍍鋅鋼試塊鋅層剝落明顯，鋼基體暴露(見圖2)；B，H厚度聚乙烯涂層各試樣均出現了一定程度的點蝕現象，如圖2c)所示，而T厚度的聚乙烯涂層尚未出現點蝕。

對比發現，出現點蝕的聚乙烯涂層均勻性較差，可以初步推測當聚乙烯涂層較厚且較均勻時，具有一定的防腐性能。水性聚氨酯涂層耐腐蝕性較好，進行全浸試驗6 d后，表面未出現點蝕現象，但涂層出現失光、發黃現象，如圖2b)所示。

利用掃描電鏡對腐蝕6 d后噴涂有兩種涂層及沒有涂層的鍍鋅鋼試塊表面的微觀形貌進行觀察，發現未腐蝕的鍍鋅鋼表面光滑平整，鍍層表面分布著許多微裂紋，腐蝕6 d后，鍍鋅鋼鋅層表面出現一些凸起結構，且出現了一些呈片狀的腐蝕產物如圖3a)所示，對圖3中標注的腐蝕產物進行EDS元素成分分析，結果如表2所示。可知，片狀的腐蝕產物由Zn，Cl，O元素組成，推測這種較為致密的腐蝕產物為Zn5(OH)8Cl2·H2O。同時還存在疏松多孔的腐蝕產物，對其進行EDS元素成分分析，發現其中Cl元素含量較低，腐蝕產物為Zn(OH)2。疏松多孔的腐蝕產物對鋼基體的保護性很弱，腐蝕介質易從孔洞中傳輸，而致密的腐蝕產物可以有效阻止腐蝕性介質的傳播，可以對鋼基體起到一定的保護作用。

基于圖2b)的腐蝕現象，腐蝕6 d后的水性聚氨酯涂層表面粗糙度沒有太大的變化，沒有明顯的腐蝕產物的生成，說明水性聚氨酯涂層的防腐機理為物理屏蔽保護，具有較高的交聯密度，涂層致密性好，可以有效地隔絕環境中腐蝕介質的深入。但腐蝕6 d后，水性聚氨酯涂層表面出現了一定的缺陷，原因是因為水性聚氨酯耐水性較差。

表2 腐蝕產物分析

由圖2c)可以看出，腐蝕6 d后的氯磺化聚乙烯涂層表面出現點蝕，進行EDS元素成分分析發現腐蝕已經到達鋼基體，涂層已經失效，甚至氯磺化聚乙烯涂層加速了鍍鋅鋼的腐蝕進程。原因可能是涂層在涂裝過程中造成的微觀缺陷較多，導致涂層表面孔隙較多，水通過微觀缺陷進入到鍍鋅鋼表面，形成了一層水膜，同時可以發現孔蝕處的Cl離子含量為17.55%，說明微觀缺陷加速了腐蝕介質滲透至鍍鋅鋼表面，加速了腐蝕過程，導致涂層表面率先出現銹點。

2.2 腐蝕試驗后涂層厚度變化

兩種涂層在氯化鈉溶液中經過6 d的腐蝕后，厚度均減小，圖4所示為涂層厚度隨著腐蝕天數變化的趨勢，當兩種涂層厚度較大時，厚度損失較慢，而當兩種涂層厚度較小時，厚度損失較快；當氯磺化聚乙烯涂層出現點蝕時，鋼基體已經開始腐蝕，涂層已經失效，但涂層厚度沒有明顯的變化。

其中，圖4中CSM表示氯磺化聚乙烯涂層；WPU表示水性聚氨酯涂層；B表示薄；H表示中等厚度；T表示最厚。

圖5為腐蝕6 d后氯磺化聚乙烯涂層附著力劃痕試驗。

2.3 涂層附著力測試結果

對于水性聚氨酯涂層，當水性聚氨酯涂層厚度為B厚度和H厚度時，全浸試驗進行至2 d/4 d/6 d時，涂層沿切割邊緣大碎片剝落，一些方格部分或全部出現脫落(見圖6)，受影響的交叉切割面積大于35%，此時水性聚氨酯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級為4級。當水性聚氨酯涂層為T厚度且涂層較均勻，全浸試驗進行至6 d時，如圖6c)所示，涂層切割邊緣平滑，涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級為0級。采用式(1)來反映涂層附著力大小。

(1)

其中，N1為未剝離涂層格子數；N0為格子總數；L為涂層的未剝離率。

當全浸試驗進行至2 d時，不同厚度氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級為0級，說明此時氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力極好，不易脫落、剝落。

當全浸試驗進行至6 d時，試驗得到剝離率變化情況如圖7所示。H厚度、T厚度的氯磺化聚乙烯涂層切口交叉處有少許涂層脫落，此時的氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級為1級，而B厚度的氯磺化聚乙烯涂層切割邊緣完全平滑，無一格脫落，與鍍鋅鋼板的附著力等級為0級。隨著腐蝕時間的增大，較厚的氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力反而會降低得較快。

對比未進行腐蝕試驗的水性聚氨酯涂層附著力測試可以發現，未進行全浸試驗的B厚度水性聚氨酯涂層與鍍鋅鋼板的附著力等級為2級，說明短期的全浸試驗能使得較薄厚度的水性聚氨酯涂層喪失大部分的附著力，容易出現涂層剝落、脫落等失效方式，但當水性聚氨酯涂層較厚時，此時的水性聚氨酯初始涂層為60 μm，涂層與鍍鋅鋼板的附著力較好，且在全浸試驗中不易喪失附著力。

3 結論

1)全浸實驗中，氯磺化聚乙烯涂層雖然附著力較好，但反而會加速鍍鋅鋼的腐蝕進程；而水性聚氨酯涂層厚度達到60 μm時，具有較高附著力的同時，可以有效地物理屏蔽保護鍍鋅鋼基體，延緩鍍鋅鋼的腐蝕速度。2)隨著腐蝕時間的增大，較厚的氯磺化聚乙烯涂層與鍍鋅鋼板的附著力反而會降低得較快；較薄厚度的水性聚氨酯涂層與基體之間較差的附著力是由于水性聚氨酯具有耐水性差、力學性能較差等缺陷，這些缺陷限制了其在海洋環境中作為耐腐蝕材料的應用與發展。3)當氯磺化聚乙烯涂層較厚且較均勻時，具有一定的防腐性能，但相比之下，水性聚氨酯涂層的耐腐蝕性能明顯好于氯磺化聚乙烯涂層。4)研究得出的一些有價值的結論為沿海地區鋼結構防腐提供了一定程度的理論指導，具有一定的參考價值。