一種環(huán)境友好鋅鋁涂層的制備與評價

晏琪+鄒文杰+肖軍

摘 要：傳統(tǒng)達(dá)克羅技術(shù)是指以鱗片狀的Zn、Al片為主要成分的涂料經(jīng)高溫烘烤而形成的鋅鋁防腐涂層，具有良好的耐蝕性，無氫脆，廣泛的應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的達(dá)克羅水性鋅鋁涂層中含有六價鉻元素，不僅污染環(huán)境，而且危害人體健康。本研究優(yōu)化了涂層的制備工藝，根據(jù)所制定的正交實(shí)驗(yàn)方案，在解決鉻危害的同時，提升涂層的性能，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。通過大量的試驗(yàn)對達(dá)克羅鋅鋁涂層的性能進(jìn)行測試驗(yàn)證該綠色鋅鋁涂層具有良好耐蝕性能，并在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上總結(jié)出最佳的涂層配比為：為5%，m（環(huán)氧樹脂）：m（聚酰胺）=1：0.8，適量的正丁醇為溶劑。

關(guān)鍵詞：達(dá)克羅；水性鋅鋁涂層；耐蝕機(jī)理；環(huán)氧樹脂；鈍化膜；無鉻；綠色涂層

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.020

1 研究背景及防護(hù)機(jī)理

1.1 研究背景及意義

鋅鋁防腐技術(shù)是當(dāng)代工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的技術(shù)之一。2000年前后，該技術(shù)引入我國。由于這種水性鋅鋁涂層相比于電鍍鋅等表面處理技術(shù)，耗能小、污染少，因此備受工業(yè)防腐領(lǐng)域的青睞，但同時鋅鋁涂層中所含有的毒性很強(qiáng)且危害動植物的生長。隨著世界工業(yè)的發(fā)展以及我國環(huán)保意識和政策的加強(qiáng)，鉻的危害也越來越受到重視，并已經(jīng)開始嚴(yán)格限制鉻使用，“綠色環(huán)?！背蔀楫?dāng)代制造業(yè)的追求。

1.2 無鉻水性鋅鋁涂層的防護(hù)機(jī)理

①成膜物質(zhì)的屏蔽作用。有機(jī)粘結(jié)劑燒結(jié)形成的成膜物質(zhì)覆蓋在機(jī)體表面，形成一層致密表面覆蓋膜，具有機(jī)械物理的屏蔽作用，隔絕空氣和腐蝕介質(zhì)，能夠有效的保護(hù)機(jī)體。

②陰極保護(hù)和鈍化作用。由于鋅和鋁以及母材基體存在電位差，三者可以構(gòu)成電化學(xué)原電池中的陽極和陰極，起到陰極保護(hù)作用。同時鋁氧化形成致密的氧化膜而隔絕腐蝕介質(zhì)，進(jìn)一步抑制腐蝕。

③涂層的自修復(fù)作用。當(dāng)致涂層破損時，裸露出來的鋁片會在外界腐蝕介質(zhì)的浸入過程中迅速鈍化，形成一層新的鈍化膜物質(zhì)覆蓋在機(jī)械破損處，有效的抑制的腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步的浸入，從而達(dá)到自我修復(fù)的效果。

④電化學(xué)作用。由于有機(jī)物高阻抗性質(zhì)會導(dǎo)致電阻極化，抑制了涂層中陽極和陰極之間由于化學(xué)勢差而產(chǎn)生的粒子運(yùn)動，提高了腐蝕電池回路中的阻抗，減緩了陽極的消耗，從而延長了涂層的壽命。

2 資料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

Zn粉（，長徑比80：1）；Al粉（，長徑比120：1）；（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%）；環(huán)氧樹脂（E-44）；聚酰胺650；丙酮（A.R.），無水乙醇（A.R）磷鉬酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%）；鉬酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%）；正丁醇（A.R）；硝酸鑭（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%）去離子水（A.R）。

2.2 制備涂層

在燒杯中倒入總質(zhì)量10%-20%的環(huán)氧樹脂，并加入適量的丙酮直到環(huán)氧樹脂完全溶解；按照總重量的20%稱量二氧化錳，將稱量好的鋅粉和鋁粉加入燒杯然后攪拌 10-20 分鐘，使金屬粉末與溶劑均勻混合。按照環(huán)氧樹脂與固化劑的比例為 1：0.8 的重量比稱量聚酰胺固化劑，并加入適量的丙酮直到聚酰胺完全溶解；用100目和400目的砂紙打磨標(biāo)準(zhǔn)碳素鋼試件，然后丙酮清洗，保持表面光潔。根據(jù)涂層所使用的溶劑不同將試驗(yàn)分為三組：分別為去粒子水乙醇、和正定醇。如表1所示。

（注：硝酸鑭1g/L滴入10-20ml，消泡劑適量）

2.3 驗(yàn)小結(jié)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，去離子水與有機(jī)樹脂以及金屬粉末不相溶，且與粉末會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不適宜作為鋅鋁涂層的溶劑；經(jīng)長時間攪拌，也會有肉眼可見不均勻的大顆粒，靜置一段時間，涂料分層，且涂層的附著力較差。乙醇可以溶劑有機(jī)樹脂，相比與水，鋅鋁粉末能更好跟均勻的分散在溶劑中，但乙醇揮發(fā)太快長時間攪拌涂料容易變的稠密而不利于攪拌和涂敷。正丁醇是最為理想的溶劑，正丁醇不僅能很好的溶解有機(jī)溶劑，而且在同等條件下，揮發(fā)速率小于乙醇，長時間攪拌，涂料可均勻分布，無肉眼可見的大顆粒（如圖1所示）。

2.4 實(shí)驗(yàn)測定方法

（1）硬度試驗(yàn)。ISO 15184 ：1998 規(guī)定進(jìn)行，鉛筆為101 中華牌繪圖鉛筆。（由軟到硬）為9B-8B-7B-6B-5B-4B-3B-2B-B-HB-F-H-2H-3H-4H-5H-6H-7H-8H-9H的木制繪圖鉛筆。

根據(jù) ISO 15184：1998所規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)，測得大部分樣品的硬度為3H-4H，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)達(dá)克羅1H-2H的硬度范圍。

（2）耐酸性試驗(yàn)。按 GB/ T 9274 1988 中甲法（浸泡法〉進(jìn)行。將樣板浸入 3 % c質(zhì)量 百分?jǐn)?shù)）鹽酸（化學(xué)純）溶液中 至規(guī)定的時間，取出樣板，用流水輕輕地沖洗后立即目視觀察涂膜。如三塊樣板中有兩塊未出現(xiàn)起泡、開裂、剝落、掉粉、明顯變色、明顯失光 等涂膜病態(tài)現(xiàn)象，則評為"無異常" 。如出現(xiàn)以上涂膜病態(tài)現(xiàn)象按 GB/T 1766 2008進(jìn)行描描述。

按 GB/ T 9274 1988 中甲法（浸泡法〉的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，測出的4組試樣中有3組無異常，1組存在掉粉現(xiàn)象。（腐蝕前后的金相照片如圖2所示）。

（3）附著力試驗(yàn)（按 GB/T 9286 1998 規(guī)定進(jìn)行）根據(jù) GB/T 9286 1998 規(guī)定試驗(yàn)方法測得試驗(yàn)樣品中，大部分的樣品的附著力等級為1級。

3 總結(jié)

試驗(yàn)表明，這種環(huán)境友好型的鋅鋁涂層的最佳配比為為5%，，，m（環(huán)氧樹脂）：m（聚酰胺）=1：0.8.溶劑為正丁醇，配制熔液攪拌6小時以上，采用二烘二涂的方式最佳。

由于試驗(yàn)設(shè)備和條件有限，涂敷手段與方式有限，會有涂敷不均勻以及涂敷厚度不一致的問題存在，嚴(yán)重影響涂層的性能。部分測試試驗(yàn)未能如期進(jìn)行，未能體現(xiàn)涂層的全部性能，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中有待解決涂層以及實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)存的問題。

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