基于管道防腐技術的硅溶膠新型涂層材料制備及性能測試研究

摘 要：針對傳統鋁合金無機涂料耐腐蝕性能較差的問題，提出一種新型改性硅樹脂的制備。試驗對硅溶膠的制備條件進行優化，以優化后硅溶膠為原料制備改性硅樹脂涂層，并對涂層的耐腐蝕性能進行研究。試驗結果表明，pH值為3～4，回流攪拌時間為2 h，溶劑為二乙二醇丁醚制備改性硅溶膠，以此為原料制備的改性硅樹脂噴涂在鋁合金上后，涂層自腐蝕電流密度最小為1.66×10-6A/cm2，極化電阻最大為2.45×10-4 Ω· cm2，阻抗模值最大約為 7.20×105 Ω·cm2，表現出較優異的耐腐蝕性能。分別經過168 h和720 h鹽霧處理后，涂層表面均不出現明顯的腐蝕產物，仍有較好的金屬光澤感，可對鋁基體進行長效腐蝕保護。

關鍵詞：防腐涂層；改性硅樹膠；防腐性能；耐鹽霧性能

中圖分類號：

TQ635.2

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0133-04

Research on the preparation and performance testing of new silica sol coating materials based on pipeline anticorrosion technology

HAN Wenjie，MA Shangqian，HAN Jigang

（Qinghai Water Resources and Hydropower Survey，Planning，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Xining 810003，China）

Abstract：In response to the poor corrosion resistance of traditional inorganic coatings on aluminum alloys，a novel modified silica resin preparationwas proposed.The preparation conditions of silica sol was optimized in the experiment，a modified silicone resin coating was prepared using the optimized silica sol as the raw material，and the corrosion resistance performance of the coatings was then studied.The experimental results showed that the modified silica sol was prepared with a pH value of 3～4，reflux stirring time of 2 hours，and using diethylene glycol butyl ether as the solvent yields coatings.The modified silicone resin prepared from this silica sol was sprayed on aluminum alloy，and the minimum self corrosion current density of the coating was 1.66×10-6 A/cm2，with a maximum polarization resistance of 2.45×10-4 Ω · cm2，with a maximum impedance mode value of approximately 7.20×105 Ω· cm2，exhibiting excellent corrosion resistance.After 168 hours and 720 hours of salt spray treatment，the coating surfaces show no significant corrosion products，retaining a good metallic luster，providing long-term corrosion protection for the aluminum substrate.

Key words：anticorrosive coating;modified silicone gum;corrosion resistance;salt spray resistance

供水工程鋁合金水管防腐問題是當下研究的熱點，防腐涂層是目前最常用也是最簡單的一種防腐方式。為了進一步提升防腐涂料的性能，部分學者也進行了很多研究，如針對消防管道用水性防腐涂料環境耐性差的問題，制備了瀝青防腐涂料［1］。通過石墨烯對防腐涂料的防腐性能進行提升［2］。研究了碳納米管在防腐涂料中的應用，研究了碳納米管在有機防腐涂料中的防腐機理及研究進展［3］。制備了一種抗銹蝕水性環氧防腐涂料［4］。以上學者的研究為提升防腐涂料的性能提供了參考，但還達不到理想的防腐效果，基于此，實驗以楊寒霄論文中的方法為參考，制備了一種防腐性能良好的硅溶膠涂層。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：堿性硅溶膠（AR），九朋新材料；硝酸（AR），玖豐隆化工；MTMS（AR），東曹化學；DMDPS（AR），科沃德化工。

主要設備：VersaSTAT 3F 單通道電化學工作站（德尚科技）；HM-3020型紅外光譜儀（恒美電子科技）；SNE-3200M 型掃描電鏡（武訓科技）；TM型EDS能譜儀（江河檢測）。

1.2 改性硅溶膠的制備

（1）通過硝酸將堿性硅溶膠的pH值調節至適宜范圍并放入三口燒瓶備用;

（2）將MTMS和DMDPS 進行混合，按照硅溶膠與混合液質量比5∶6，將混合物緩慢倒入裝有堿性硅溶液中，并連接冷凝管;

（3）對三口燒瓶進行加熱，待溫度穩定在65 ℃后，將溶劑放入三口燒瓶中進行回流攪拌，一段時間后撤去回流裝置，繼續提升溫度進行脫水處理，脫水溫度和時間分別為95 ℃和2 h，得到MTMS-DMDPS改性硅溶膠。

1.3 改性硅樹脂涂層的制備

1.3.1 旋涂法制備涂層

（1） 將MTMS-DMDPS 改性硅溶膠在鋁合金上旋涂，然后在電熱烘箱的作用下烘干，烘干溫度和時間分別為200 ℃和1 h；

（2） 烘干結束后，關閉烘箱電源，不取出鋁合金，使其隨爐冷卻至室溫，得到改性硅樹脂防腐涂層；

1.3.2 噴涂法制備涂層

將鋁合金放置在距離噴槍15 cm左右的地方，然后勻速緩慢移動噴槍，得到改性硅樹脂涂層。

1.4 性能測試

1.4.1 微觀形貌

通過掃描電鏡觀察材料內部結構變化，進而表征材料性能變化原理。

1.4.2 官能團測試

通過紅外光譜分析材料官能團變化。

1.4.3 電化學性能

通過單通道電化學工作站表征材料的電化學性能。

1.4.4 EDS分析

通過EDS能譜儀表征材料的元素變化。

2 結果與討論

2.1 制備條件優化

2.1.1 pH值優化

通過樹脂狀態對pH值進行優化，結果見表1。

由表1可知，當pH值小于3時，樹脂狀態為半渾濁粘稠膠體，而硅溶膠pH值超過5時，體系內僅有較少的氫離子，這對水解縮聚反應平衡有破壞作用，促進反向縮聚反應，對凝膠的形成產生積極的作用［5-6］。為了使樹脂保持澄清粘稠的狀態，選擇適合的pH值為3～4。

2.1.2 回流攪拌時間優化

回流攪拌時間優化結果見表2。

由表2可知，當攪拌時間為1 h時，硅溶膠的狀態為澄清膠體，放置1 d后，溶膠狀態開始變得渾濁。回流攪拌時間增加至2 h后，制備出的硅溶膠始終保持清澈狀態，放置后也不出現渾濁的情況。這說明該時間條件下，已經足夠使溶膠內水解縮聚完全反應，繼續增加回流攪拌時間對溶膠狀態并未有任何影響。因此，選擇適合的回流攪拌時間為2 h。

2.1.3 溶劑種類的優化

試驗制備的防腐硅凝膠主要用于供水管道，因此需要盡量選擇無毒溶劑;溶劑的影響見表3。

由表3可知，以乙醇為溶劑時，硅溶膠狀態為澄清的溶液，不會發生凝膠狀態，無法成膜。乙二醇甲醚為溶劑時，由于其沸點略高于水沸點，在高溫脫水過程中會得到較粘稠的膠體，對得到的硅溶膠進行稀釋后旋涂，其表干時間過快，無法達到使用要求［7-8］。選擇二乙二醇丁醚作為溶劑時，其沸點明顯高于水的沸點，在進行高溫脫水的過程中不會因為高溫被蒸發，因此在水解縮聚后，硅溶膠狀態為澄清粘稠的膠體狀，旋涂于硅片上制備的濕膜表面質量較為優異，因此可認定適合的溶劑為二乙二醇丁醚。

2.2 結構及形貌分析

2.2.1 表面形貌分析

對制備的涂層表面形貌進行分析，結果涂層表面不出現開裂，且經過噴涂得到的硅溶膠涂層表面形貌更為光滑致密。這是因為噴涂法作用在鋁合金上的溶膠更多，在溶膠固化后，硅樹膠鋁合金表面的形貌完全遮蓋，因此涂層更為光滑平整［9］。

2.2.2 官能團分析

圖1為紅外光譜分析結果。

由圖1可知，MTMS-DMDPS 改性硅溶膠中 3 200～3 650 cm-1處O—H特征峰寬度較堿性硅溶膠變窄， 1 640 cm-1處吸附

于 SiO2表面水的—OH特征峰強度降低，這說明經過高溫脫水后，改性硅溶膠中游離水分子含量明

顯降低。同時從圖3還可知，改性硅溶膠的紅外曲線上，1 000～1 200 cm-1處Si—O 特征峰變寬且強度降低，這說明在縮聚反應的過程中，形成了新鍵Si—O—Si。MTMS 和DMDPS與硅溶膠中 SiO2 的—OH 縮合反應時，硅溶膠中 SiO2內部 Si—O—Si被包裹，因此802 cm-1處特征峰逐漸消失。這說明在合成改性硅溶膠的過程中形成了以 Si—O—Si 為骨架的網絡狀結構，成功合成了改性硅樹膠［10-11］。

2.3 耐腐蝕性能

2.3.1 極化曲線分析

以常規二氧化硅無機涂層為對比，通過極化曲線及參數對防腐涂層的耐腐蝕進行表征，結果如表4所示。結合表4所得，旋涂和噴涂法制備的改性硅樹脂涂層較常規二氧化硅無機涂層自流密度更低，極化電阻變大，腐蝕速率較低，表現出更好的防腐能力。對比旋涂和噴涂法制備的改性硅樹脂涂層可知，噴涂法制備的改性硅樹脂涂層自腐蝕電流密度最小，極化電阻最大，分別為1.66×10-6 A/cm2和2.45×10-4 Ω·cm2，耐腐蝕性能良好。

2.3.2 阻抗分析

以常規二氧化硅無機涂層為對比，通過阻抗分析及參數進一步表征防腐涂層的耐腐蝕性能，結果見圖2。

由圖2可知，在幾個樣品中，噴涂法改性

硅樹脂涂層的低頻容抗弧半徑和阻抗模值最大，阻

抗模值約為7.20×105 Ω·cm2。這就說明在幾個

樣品中噴涂法制備的改性硅樹脂涂層表現出較好的

耐腐蝕性能。

2.4 耐鹽霧性能分析

2.4.1 表面宏觀形貌分析

通過短期中性鹽霧 168 h 的表面宏觀形貌對涂層耐鹽霧性能進行分析，結果涂層表面均未出現明顯的腐蝕現象，這說明改性硅樹脂具備一定的耐鹽霧性能。

2.4.2 表面形貌及EDS元素分析

通過EDS能譜進一步分析改性硅樹脂涂層的耐腐蝕性能，

結果見表5 。結合表 5可知，白色顆粒的主要成分為

硅元素和氧元素，因此可推斷該白色物質為未完全溶膠的二氧化硅顆粒。 以上變化就說明了經過噴涂法制備的改性硅樹脂涂 層表現出良好的耐鹽霧防腐性能。

2.5 與市售硅樹脂對比

為了進一步確定本試驗制備的改性硅樹脂涂層的可行性，選擇在鋁基體上分別噴涂改性硅樹脂涂層與市售硅樹脂，經過720 h鹽霧處理后，普通鋁合金基材在鹽霧中48 h后，腐蝕嚴重，且腐蝕情況隨時間的增加越加嚴重。當鹽霧處理720 h后，基體表面幾乎觀察不到合金金屬光澤。而噴涂改性硅樹脂涂層與市售硅樹脂涂層的鋁合金在經過鹽霧處理720 h后，涂層表面均不出現明顯的腐蝕產物，仍有較好的金屬光澤感，這說明2種硅樹脂涂層均具備較好的耐鹽霧能力。

3 結語

（1）改性硅溶膠制備條件為pH值為3～4，回流攪拌時間為2 h，適合的溶劑為二乙二醇丁醚，在此條件下制備的改性硅溶膠狀態為澄清透明的膠體;

（2）經過噴涂得到的硅溶膠涂層表面無開裂現象，形貌較為光滑致密，可以有效遮蓋鋁合金表面的形貌;

（3）在合成改性硅溶膠的過程中，發生了水解縮聚反應，形成了以 Si—O—Si 為骨架的網絡狀結構，成功合成了改性硅樹膠;

（4）極化曲線結果表明，噴涂法制備的改性硅樹脂涂層自腐蝕電流密度最小，極化電阻最大，分別為1.66×10-6 A/cm2和2.45×10-4" Ω·cm2;

（5）阻抗結果表明，噴涂法改性硅樹脂涂層的低頻容抗弧半徑和阻抗模值最大，阻抗模值約為7.20×105 Ω·cm2，防腐性能良好;

（6）噴涂法制備的改性硅樹脂涂層經過168 h鹽霧處理后，表面僅有少許未完全溶膠的二氧化硅白色顆粒，耐鹽霧性能良好;

（7）與市售硅樹脂耐鹽霧性能對比，噴涂改性硅樹脂涂層與市售硅樹脂涂層的鋁合金在經過鹽霧處理720 h后，涂層表面均不出現明顯的腐蝕產物，仍有較好的金屬光澤感，這就說明改性硅樹脂涂層均具備較好的耐鹽霧能力。

【參考文獻】

［1］

周豪.消防管道用的瀝青防腐蝕涂層制備及性能試驗［J］.化學工程師，2023，37（2）：89-93.

［2］ 周忠偉，張建雄，金少波，等.石墨烯在防腐涂料中的應用及性能研究［J］.涂層與防護，2022，43（11）：60-64.

［3］ 李學進，王通平，魏剛，等.碳納米管的分散及其在防腐涂料中的研究進展［J］.涂料工業，2022，52（11）：68-76.

［4］ 王雷，雍濤，趙紅艷，等.抗銹蝕水性環氧防腐涂料的制備技術研究［J］.新型建筑材料，2022，49（9）：100-103.

［5］ 肖祥定，何暢，段金弟，等.橋梁鋼結構全水性防腐涂料體系的應用性能研究評價［J］.材料保護，2022，55（9）：195-199.

［6］ 王燕，王繼虎，溫紹國，等.水性丙烯酸防腐涂料成膜過程中附著力的研究［J］.電鍍與涂飾，2022，41（16）：1141-1148.

［7］ 房昺，楊瑞，楊亮，等.石墨烯冷涂鋅防腐涂料的制備及性能［J］.科技導報，2022，40（5）：44-51.

［8］ 慕松偉，梁宇，張心悅，等.氧化石墨烯基納米雜化物在防腐涂料中的應用研究進展［J］.材料開發與應用，2021，36（6）：83-90.

［9］ 于歡，蔡艷青，王婷婷，等.水性膨脹型鋼結構防火防腐涂料的制備及性能分析［J］.高分子通報，2021（9）：67-73.

［10］ 張繼普，寧曉國，王安書，等.環氧樹脂型重防腐涂料所用長石粉的研究［J］.粘接，2021，47（8）：17-21.

［11］ 楊建軍，陳虹雨，吳慶云，等.改性水性聚氨酯防腐涂料的最新研究進展［J］.精細化工，2021，38（10）：1981-1987.