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金属表面有机涂层抗渗性检测的时间电位法

信息来源:paintkey.com  时间:2009-07-29  浏览次数:239

  摘要:用时间电位法来检测钢筋表面涂层的抗渗性和抗海水中氯化钠的扩散性,以期建立一种能够快速鉴定涂层是否失效的电化学方法。对所得数据进行分析处理后,得到了涂层电容和涂层电阻。涂层电容、涂层电阻、涂层厚度这3个参数可用来定性和半定量地判定有机涂层的优劣。
  关键词:时间电位法;等效电路;交流阻抗;涂层

  中图分类号:TU511。3+2 文献标识码:A

  为了保护金属免遭腐蚀,可在其表面涂覆一定厚度的有机涂层,这是一种常用的保护措施。目前常用盐雾试验来评价有机涂层的耐蚀性能,但它是半经验性的,测试时间长,且需要专业人员进行评价观察,由于含有主观因素,因而结果比较粗糙。

  贺鸿珠等[1]应用交流阻抗谱方法对钢片表面的有机涂层抗渗性进行了研究。应用交流阻抗谱方法测试时,施加交流电压小,不破坏样品,可以连续快速监测样品的腐蚀情况[2],但存在数据分析困难,所应用的锁相放大器比较昂贵等缺点。

  本试验利用恒电位仪探讨了时间电位法在检测有机涂层抗渗性中的应用。研究钢片表面涂层结构与性能随其在水和NaCl溶液中浸泡时间的变化而发生的变化,以此来评价有机涂层抗渗性的优劣。

  1 理论基础[3]

  把涂覆涂层的钢片放入电解池中,电解池中的溶液为水或3%(质量分数,下同)的NaCl溶液。这样的体系可用图1中的等效电路来表示[4]。图中Rs为电解池中的溶液电阻;Rp为涂层漏电电阻;Cp为涂层电容。



图1 涂层的等效电路

  由文献[3]可知,时间电位法是在被测电极系统突然外加一恒定电流,并观察体系电位随时间的变化,可以得到等效电路的电位响应方程:




  图2是一条典型的时间电位曲线,这是一种渐近线。从理论上说,在t=0时,ΔE(0)的数值即为溶液电阻欧姆电位降ΔIRs的数值,但实际上t=0的实验点很难准确测量。而且进行瞬态测量的主要目的不是测量溶液电阻Rs,而是测量涂层漏电电阻Rp或涂层电容Cp




图2 时间电位法的典型曲线

  2 计算和数据处理

  根据文献[3],对于得到的恒电流阶跃曲线,如果能够测准恒电流阶跃开始瞬间的电位变化值ΔE(0),则由于ΔE(0)=ΔIRs,可以求出相应于每个试验点的ΔEs(t)。在瞬态响应曲线明显偏离直线的较弯部分,选择t=t1和t=t2=2t1两个试验点的ΔEs(t):ΔEs(t1)和ΔEs(t2),可以按下式求出Rp




  求得Rp后,再按下式求出Cp




  根据作者反复试验后发现,t1对Cp影响较大,所以本试验对所有数据都采用相同的t1,即在最弯曲的地方假设时间相同。

  3 试验部分

  试验材料:普通低碳钢片,所涂底漆有两种,分别为环氧铁红底漆(记为H)和无机富锌底漆(记为W)。中间漆为环氧云铁中间漆;面漆则分别为环氧防腐面漆(也记为H)、脂肪族聚氨酯防腐面漆(记为J)、氯化橡胶防腐面漆(记为L)、HCPE-2特种防腐面漆(记为T)。由于所有试件所涂的中间漆都相同,故试件均以底漆和面漆的种类命名。如HH即为采用环氧铁红底漆、环氧云铁中间漆和环氧防腐面漆涂覆的试件,以此类推。涂层总厚度控制为(160±30)μm,底漆、中间漆和面漆各涂一层,每层厚度分别为50μm左右。

  测试仪器:电化学测量仪器采用273A型恒电位/恒电流仪,EG&GPrincetonAppliedResearchCo。出品;测量及数据处理应用M270软件。测试电位阶跃时,ΔI设置为1μA,测试时间为10s,时间间隔为0.0526s,每个试样测200个点。试验电解池采用5cm×5cm×5.5cm的立方体容器,电解面积为6cm2,工作电极为涂有涂层的低碳钢片,将另一普通低碳钢片作为对电极。电解液为水或浓度为3%的NaCl溶液。

  4 结果与讨论

  4.1 实际测试所得的典型曲线

  图3为试验测得的典型曲线,所选用的试件为浸泡在3%NaCl溶液中14d的HT。




图3 试验的典型曲线

  4.2 水溶液中不同涂层的Cpd和Rp随浸泡时间的变化

  由于涂层均用手工刷涂,其厚度不可能一致,因此在比较各涂层电容特性时采取的参数为涂层电容乘以涂层厚度,即Cpd之值,其单位为nF·mm。

  表1为HH,HT,HL,HJ这4种试件干燥后在水中浸泡1,14,28d的Cpd及Rp之值。由表1可见,4种涂层在浸水初期的电容相差不大,其差别仅由涂层本身材质引起,因而不能根据其大小来判断各涂层渗水性的优劣;若以14d和1d的Cpd之差或两者的相对值来比较4种涂层渗水性的优劣,则其中除HH较差外,另3种涂层的渗水性相差不大;到了28d,4种涂层的电容都有较大增加,说明此时4种涂层均已被破坏。相对而言,在涂层总厚度为(160±30)μm时,以14d与1d的Cpd之差来比较这几种涂层渗水性的优劣较为合理。表1中的Rp为涂层的漏电电阻,均在MΩ数量级,随涂层不同和浸泡时间不同而随机涨落。

  表2为WH,WT,WL,WJ这4种试件干燥后在水中浸泡1,14,28d的Cpd及Rp之值。

表1 环氧铁红底漆下涂不同面漆试件的Cpd,Rp之值随浸泡时间的变化




表2 无机富锌底漆下涂不同面漆试件的Cpd,Rp之值随浸泡时间的变化




  与表1数据相比,表2中的Cpd在刚浸泡时明显较大,可见底漆为环氧的涂层要优于底漆为无机富锌的涂层;1d时,4种涂层Cpd之值明显不同,这是由其材质所决定的,不能以此为依据判断它们渗水性的优劣;若以14d与1d的Cpd之差或两者的相对值来比较,同时参考28d的Cpd之值,则可发现4种面漆中以脂肪族聚氨酯面漆的抗渗性能最好,其排序为WJ,WT,WL,WH,这与文献[3]所得结果相同。表2中的Rp同样为MΩ数量级,随机涨落。

  4.3 NaCl溶液中不同涂层的Cpd和Rp随浸泡时间的变化

  表3为HH,HT,HL,HJ这4种试件干燥后放在3%NaCl溶液中浸泡1,14,28d的Cpd及Rp值。由表3可见,浸泡在NaCl溶液中28d后,各涂层的电容均比浸泡在水中的28d电容大很多,也就是说对于环氧铁红底漆来说,NaCl溶液比水溶液更容易渗透。到28d时各涂层的电容值均出现异常变化,突然增大很多,表明此时4种涂层均已被完全破坏。相比较而言,采用环氧类面漆涂层的Cpd变化最为明显,说明其抗氯离子渗透性最差;脂肪族聚氨酯面漆具有很好的抗渗性,而另2种面漆的抗渗性则相差不大。同样,采用脂肪族聚氨酯面漆的试件其14d的涂层漏电电阻Rp也要高于另3种面漆。

  表4为WH,WT,WL,WJ这4种试件干燥后放在3%NaCl溶液中浸泡1,14,28d的Cpd及Rp值。由表4可见,在14d之前,各涂层的Cpd值变化均不明显,但14~28d这段时间涂环氧类和氯化橡胶类面漆试件的Cpd值变化非常大,说明此时这2种涂层已被完全破坏。若以14d和1d的Cpd之差或两者的相对值来比较4种面漆优劣的话,则其中的脂肪族聚氨酯面漆具有很好的抗渗性;直到28d,WJ和WT的涂层依然具有较好的阻挡性,而环氧类和氯化橡胶类面漆则较差。由涂层漏电电阻的大小也可看出这一点,28d时,阻挡性较差涂层的漏电电阻与阻挡性较好涂层的漏电电阻相差较大。

表3 环氧铁红底漆下涂不同面漆试件的Cpd,Rp之值随浸泡时间的变化




表4 无机富锌底漆下涂不同面漆试件的Cpd,Rp之值随浸泡时间的变化




  5 结论

  1.时间电位法简单方便,数据处理并不繁琐,试验结果与用其他方法得出的结论一致,所以可以用时间电位法检测钢筋表面有机涂层的抗渗性。

  2.一般对于总厚度控制在(160±30)μm的涂层,可以用其14d与1d的Cpd之差或两者的相对值来比较涂层抗渗性的优劣,其结果与用交流阻抗谱方法得到的结果一致。

  3.在Cp和Rp的计算中,关键是对于t1的选择要合适,应该选在响应曲线明显弯曲的部分,这样计算的结果才会比较符合实际情况。

  4.对于本试验所选用的2种底漆来说,环氧类底漆较无机富锌底漆具有更好的抗渗性;对于4种面漆来说,脂肪族聚氨酯面漆较另3种面漆具有更好的抗水性和抗氯离子渗透性。


参考文献:

[ 1 ]  贺鸿珠,史美伦. 检测钢片表面有机涂层抗渗性的交流阻抗谱方法[J ] . 建筑材料学报,2006 ,9    (6) :754 - 758.HE Hongzhu ,SHI Mei2lun. Test of antipermeability of organic coating on steel by AC impedance met hod [J ] . Journal of Building Materials ,2006 ,9 (6) :754 - 758. (in Chinese)

[ 2 ]  杨正宏,曲生华,史美伦. 材料科学与工程[M] . 北京:原子能出版社,2007.YANG Zhenghong ,QU Shenghua , SHI Mei2lun. Material science and engineering [M] . Beijing : Atomic Energy Press ,2007. (in Chinese)

[ 3 ]  曹楚南. 腐蚀电化学原理[M] . 北京:化学工业出版社,2004.CAO Chunan. Principles of elect rochemistry of corrosion [M] . Beijing :Chemical Industry Press ,2004. (in Chinese)
[ 4 ]  张鉴清. 富锌涂层的电化学阻抗谱特性[J ] . 中国腐蚀与防护学报,1996 ,9 (16) :175 - 180.ZHANGJianqing. On EIS displays of zinc rich coatings [J ] . Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection ,1996 ,9 (16) :175 - 180. (in Chinese)
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