顏料體積濃度對水性環(huán)氧防腐涂料性能影響
                                                                       來源：中國顏料供應(yīng)商網(wǎng)

     摘要：考察了顏料體積濃度對水性環(huán)氧防腐涂料性能的影響，通過電極電位監(jiān)測、鹽霧實(shí)驗(yàn)和交流阻抗譜等測試技術(shù)對不同顏料體積濃度的試樣進(jìn)行了性能檢測，根據(jù)不同涂層的阻抗譜特征以及涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了浸泡45d后涂層阻抗譜的等效電路模型，確定了該水性環(huán)氧防腐涂料的最佳顏料體積濃度。

    關(guān)鍵詞：防腐涂料；交流阻抗；等效電路；顏料體積濃度

    0引言

    顏料體積濃度(PVC)在涂料配方設(shè)計(jì)中是一個(gè)很重要的參數(shù)，對涂料的制備、涂裝工藝和涂層的性能有著直接的影響，尤其對防腐涂料的性能影響更為明顯。涂料的最佳顏料體積濃度(OPVC)是指涂料性能達(dá)到最佳時(shí)涂料的顏料體積濃度，不同涂料的OPVC有很大的差別，在涂料配方設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)涂料預(yù)期的性能指標(biāo)和臨界顏料體積濃度(CPVC)來確定顏料和樹脂的配比。

    水性環(huán)氧防腐涂料的PVC對涂層的電化學(xué)、防腐等性能有很大的影響，如果向乳液中加入顏料過少，顏料粒子不能連續(xù)，顏料難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用，導(dǎo)致涂層的耐腐蝕等性能下降，如果向乳液中加入顏料過多，將導(dǎo)致樹脂不能完全包覆顏料粒子，涂膜的致密性下降，從而影響涂膜的耐久性；此外，水性環(huán)氧涂料的表干時(shí)間隨著PVC的增大而縮短，因?yàn)樗原h(huán)氧涂料的干燥涉及到兩個(gè)過程，即水分的揮發(fā)及固化反應(yīng)的進(jìn)行。水性環(huán)氧涂料的表干時(shí)間主要決定于固化反應(yīng)的進(jìn)行，PVC增大時(shí)，涂層表面基料所占的比例減少，因而表干時(shí)間縮短，但同時(shí)光澤也降低。可見顏料體積濃度過高或過低，涂膜均早期失效。因此確定適合的顏料體積濃度對防腐涂料很有必要。

    1實(shí)驗(yàn)部分

    1．1交流阻抗的測試裝置及測量程序

    本實(shí)驗(yàn)采用美國普林斯頓公司的352腐蝕測試系統(tǒng)和powersine阻抗測試系統(tǒng)，測量頻率范圍是100kHz～10MHz，幅值為20mV。顏料的溶解速度可以根據(jù)交流阻抗Nyquist圖高頻弧的阻抗Rc來確定，交流阻抗圖譜中Cc、Warburg系數(shù)8w的量級與穩(wěn)定性等參數(shù)一起成為重要的綜合判據(jù)。交流阻抗測試系統(tǒng)見裝置方框圖如圖1所示。

    1．2電化學(xué)測試

    1．2．1鹽水浸泡實(shí)驗(yàn)

    將研究的涂層試樣在3％NaC1水溶液中浸泡，觀察試樣表面涂層的狀態(tài)變化及腐蝕情況，觀察溶液的色澤、沉淀物或絮狀物的變化。平行試樣3個(gè)，凡試樣表面出現(xiàn)銹點(diǎn)、鼓泡或滲黃色現(xiàn)象均為涂層失效，其防腐蝕性能采用對基體金屬平均的有效保護(hù)壽命，即涂層失效前的浸泡時(shí)間來表示。

    1．2．2電極電位監(jiān)測

    以飽和甘汞電極為參比電極，采用數(shù)字式萬用表測試涂層在3％NaC1水溶液中浸泡下的電位和涂層電阻。觀察記錄涂層試板電位發(fā)生顯著變化的時(shí)刻，確定涂層電位停留在各段較正或較負(fù)的電位范圍內(nèi)的維持時(shí)間，直至涂層發(fā)生腐蝕失效為止。電極電位值反映基體金屬得到陰極保護(hù)的程度。

    1．2．3涂層最佳顏料體積濃度測試

    把具有不同顏料體積濃度的涂料分別制成試板，放在3％NaC1溶液中浸泡，測量對比不同顏料體積濃度涂層對鋼鐵基體防腐的有效保護(hù)壽命。把有效保護(hù)壽命最長的顏料體積濃度作為最佳顏料體積濃度。

    1．3耐鹽霧實(shí)驗(yàn)

    中性鹽霧實(shí)驗(yàn)是使用非常廣泛的一種人工加速腐蝕的實(shí)驗(yàn)方法，適用于檢驗(yàn)多種金屬材料和涂層。根據(jù)GB1765—1979(色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測定》，將樣品暴露于鹽霧實(shí)驗(yàn)箱中，實(shí)驗(yàn)時(shí)噴入經(jīng)霧化的實(shí)驗(yàn)溶液，鹽霧在自重的作用下均勻地沉降在試樣表面。實(shí)驗(yàn)溶液為5％NaC1(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液，其中總固體含量不超過200×10～，pH范圍為6．5—7．2。實(shí)驗(yàn)時(shí)鹽霧箱內(nèi)溫度恒定在(35±1)℃。試樣放入鹽霧箱時(shí)，應(yīng)使受檢驗(yàn)的主要表面與垂直方向成(15—3O)。。一般規(guī)定在8Oom水平面積上，鹽霧量平均1—2mk／h。

    此外，本文討論的是犧牲型涂料的耐腐蝕性能，特別強(qiáng)調(diào)碳鋼基體在暴露于腐蝕介質(zhì)中時(shí)漆膜對基體的陰極保護(hù)作用，因此在試樣制作完成后用單面刀片在涂層表面劃兩道夾角為60。、長6—7om的劃痕，劃痕應(yīng)該到達(dá)基體，觀察試樣劃痕在鹽霧腐蝕下出現(xiàn)銹蝕及涂層出現(xiàn)起皮和鼓泡的時(shí)間，以此來判定涂層的耐腐蝕性能。

    2結(jié)果與討論

    2．1PVC對涂層電位及耐腐蝕性能的影響

    對不同PVC下的涂層電位和腐蝕性能進(jìn)行了測試，其中鹽水浸泡實(shí)驗(yàn)條件：溫度為室溫；電解質(zhì)為3％NaC1溶液。鹽霧實(shí)驗(yàn)條件：溫度為35oC；鹽水濃度為5％；試片劃長8om夾角60。的叉型劃痕；實(shí)驗(yàn)時(shí)間480h。表1列出了不同顏料體積濃度下的涂層電位和腐蝕性能測試結(jié)果。

    表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水性環(huán)氧涂料的PVC對涂層的防腐性能有很大的影響，當(dāng)PVC為25％和30％時(shí)，A1一Mg—Zn合金顏料在涂層中含量很低，顏料顆粒之間無法連續(xù)，當(dāng)鹽霧及鹽水在劃痕上形成腐蝕時(shí)，劃痕處只有少數(shù)的顏料顆粒和碳鋼基體接觸，顏料難以發(fā)揮陰極保護(hù)作用，導(dǎo)致陰極保護(hù)效果較差，劃痕很快出現(xiàn)銹蝕。PVC為4o％和45％的涂膜，由于A1一Mg—Zn合金顏料含量太高，樹脂不能完全包覆顏料粒子，涂膜的致密性下降，從而影響涂膜的防腐性能；當(dāng)PVC為35％時(shí)，涂層具有最佳的防腐性能，鹽霧實(shí)驗(yàn)480h后劃痕完好無銹，按照GB／T10125m1997，耐鹽霧等級為1級。鹽水浸泡182d后電位仍在一0．77V以下，表明涂層能夠?qū)w金屬進(jìn)行完全陰極保護(hù)。適宜的顏料添加量應(yīng)當(dāng)使顏料在厚度為顏料粒徑的3—4倍的涂層中處于半連續(xù)狀態(tài)，顏料與基體連續(xù)，但它們之間不連續(xù)。此時(shí)顏料體積濃度雖然較低，但合金粉體仍具有良好的陰極保護(hù)能力。

    2．2 PVC對涂層交流阻抗的影響

    圖2中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別是PVC為25％、30％ 、35％ 、4o％、45％ 時(shí)以涂刷施工制得的涂層在3％NaC1水溶液中浸泡45 d時(shí)間后的交流阻抗圖譜。

    圖2(a)為PVC等于25％ 時(shí)的涂層阻抗圖譜，在浸泡45 d后具有2個(gè)時(shí)間常數(shù)，此時(shí)涂層阻抗的物理模型[等效電路RS(CcRc)(RtCd)]見圖3。

    圖2(b)為PVC等于30％ 時(shí)的涂層阻抗圖譜，其交流阻抗圖譜的低頻部分可以觀察到一條直線，與實(shí)軸夾角為45。，即Warburg阻抗，表明溶液已與顏料接觸。根據(jù)該涂層的阻抗譜特征以及涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了浸泡45 d后涂層的阻抗譜的物理模型[等效電路Rs(Cc(RcZw))]見圖4。

    圖2(C)為PVC等于35％時(shí)的涂層阻抗圖譜，其交流阻抗譜呈現(xiàn)1個(gè)時(shí)間常數(shù)的特征，涂層電阻為7．32×10 n，說明該涂層對介質(zhì)具有較強(qiáng)的屏蔽隔離作用。根據(jù)涂層的阻抗特征以及涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了該涂層阻抗的物理模型[等效電路R (c R )]見圖5。

    圖2(d)及(e)為PVC等于40％ 和45％時(shí)的涂層阻抗圖譜，其交流阻抗譜呈現(xiàn)2個(gè)時(shí)間常數(shù)，提出了浸泡中期涂層的阻抗譜的物理模型[等效電路Rs(CcRc)(CdRt)]見圖6。

圖6

    將圖2中的5個(gè)圖譜應(yīng)用電化學(xué)軟件解析的阻抗結(jié)果列于表2中。

    從表2可以看出，當(dāng)PVC小于35％ 時(shí)，涂層阻抗是隨著PVC提高而提高的，當(dāng)PVC大于35％ 時(shí)，涂層阻抗反而隨著PVC提高而下降。這是因?yàn)楫?dāng)PVC較低時(shí)，一道有效厚度較低，隔離屏蔽能力較差，顏料連續(xù)程度也低，對于基體的陰極保護(hù)能力也差。提高PVC，可以顯著提高涂層的介質(zhì)隔離能力，同時(shí)也提高了顏料的連續(xù)程度，在涂層出現(xiàn)微觀缺陷時(shí)起到有效的陰極保護(hù)作用。但是對于水性A1一Mg—Zn合金環(huán)氧防腐涂料來說，當(dāng)PVC上升到一定程度時(shí)，樹脂不能很好的包裹金屬粒子，導(dǎo)致涂層內(nèi)部微觀缺陷增加，從而使得涂層的阻抗降低。

    3 結(jié)語

    通過電極電位監(jiān)測、鹽霧實(shí)驗(yàn)和交流阻抗譜等測試技術(shù)對不同顏料體積濃度的試樣進(jìn)行了性能測試，對不同PVC下涂層的阻抗譜提出等效電路模型并進(jìn)行解析，最終確定了該水性環(huán)氧防腐涂料的OPVC為35％。