环氧云铁防腐涂层的研制

0 引言
金属的腐蚀,是金属受环境介质的化学或电化学作用而被破坏的现象[1]。据有关资料统计,每年由于腐蚀而造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%~4%。在造成严重经济损失的同时,腐蚀还耗尽了宝贵的资源和能源。每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料相当于金属年产量的10%~40%,其中2/3 可再生,而1/3 的金属材料因为腐蚀掉无法回收。目前各种金属的防腐蚀技术中,涂料防腐蚀技术因其施工方便、适应性强等特点应用最广泛,据日本有关方面的调查表明:涂料防腐蚀投资占各种防腐措施总投资的62.6%[2]。本文采用环氧树脂为胶粘剂,以云母氧化铁(MIO)为主要填料,并添加消泡剂等,制备出环氧云铁涂料,并采用硅烷偶联剂处理金属基体表面,使涂层获得最佳防腐性能。

1 实验部分
1.1 涂层的制备
在室温下,先将二甲苯与醋酸丁酯按适当比例混合,经搅拌配制成混合溶剂。然后再以适当比例将混合溶剂与E-44 双酚A 型环氧树脂混合,经加热搅拌配制成一定粘度的环氧粘稠液(加热温度不宜超过60℃)。同时将一定比例的二甲苯与正丁醇混合,经搅拌配制成混合溶剂,然后将混合溶剂与一定量的低分子650# 聚酰胺混合,经搅拌配制成一定粘度的聚酰胺粘稠液。将环氧粘稠液与固化剂聚酰胺粘稠液混合,并添加以云母氧化铁为主的混合填料,同时加入适量消泡剂等,配制成环氧云铁涂料。经搅拌、困料等工序,将所制涂料涂覆于经常规表面处理后的钢铁金属基体表面上。其制备工艺流程如图1 所示。

图1 环氧云铁涂层的制备工艺流程图

1.2 涂层配方的确定
为获得性能最佳的涂层配方,进行了正交实验。确定涂层最终配方为:E-44 环氧树脂15%~20%(质量分数,下同)、低分子650# 聚酰胺10%~15%、滑石粉5%~6%、灰色云母氧化铁50%~55%、磷铁粉3%~4%。

1.3 硅烷偶联剂处理金属基体表面对涂层的影响
将KH-550 偶联剂、95% 乙醇与一定质量的水配制成2% 的水解液直接涂覆于基材上,干燥后涂覆环氧云铁防腐涂层,在适当温度下烘干0.5 h,冷却至室温。测试其附着力及防腐蚀性能,结果如表1 所示。

2 分析与讨论
2.1 环氧云铁涂层的防腐机理
涂层的防腐蚀功能大致可分为两种:一种是防止涂层外部的腐蚀性物质侵入底材,另一种是依靠防腐粘料和填料起到腐蚀的抑制作用[3]。这两种功能相辅相承,共同起到防腐蚀作用。有机涂层下金属的腐蚀主要是由相界面的电化学腐蚀引起的[4],附着力则明显地影响了阳离子沿金属/ 涂层相间侧面的扩散[5]。环氧云铁涂层以环氧树脂为胶粘剂,环氧树脂分子结构中所含有的醚键(—O—)和羟基(—OH)(也包括环氧树脂与胺类固化剂固化后所生成的醚键和羟基)都是强极性基团,这些基团可以使环氧树脂分子与基体表面,特别是与金属表面之间产生很强的附着力。环氧涂层固化后,由于分子中含有稳定的苯环和醚键,分子结构较为紧密,对化学介质的稳定性较好;也没有酯基,因而耐碱性尤其突出,基本上能长期满足酸碱腐蚀环境的需要。云母氧化铁是稳定的α-Fe2O3,在矿物学上叫做云母状赤铁矿,是由左右相反、正负对称的两个晶体构成的类似六角形的片状结晶。云母氧化铁薄片厚度仅数微米,直径数10~100 μm 以上,粒度大的保持钢灰色并显现金属光泽,随着粒度的减小,最后形成红色,不具有金属光泽[6]。本文所选用的灰色云母氧化铁呈鳞片状,其较为均匀地分布于中间涂层内,能有效阻挡外来介质对涂层的渗透,延长介质的渗透时间,有效地进行物理防锈作用。中间涂层由于片状填料的作用,表面不光滑,有利于底部涂层和表面涂层的粘接。

2.2 硅烷偶联剂处理金属表面对涂层的影响
大量实践表明,影响涂层寿命的原因主要是[7]:涂料体系选择不当(占20%)、涂层厚度不足或者不均匀(占20%)、涂层涂装工艺和质量控制不当(占20%)及金属基体表面处理差(占40%)。可见,金属基体表面预处理的重要性。从涂层与基体的结合力看,机械处理和化学处理方法只能用于改善和提高涂层与金属基体的物理结合力,无法从根本上解决涂层与金属基体之间结合强度低的缺点。采用有机硅烷偶联剂水溶液对金属表面进行处理[8],金属基体与有机硅之间以Me—O—Si 共价键形成结合,这种共价键能够使金属基体表面发生钝化反应,不仅能提高涂层的附着力,还能提高涂层的耐蚀性能[9]。

3 结语
本文采用正交实验法获得环氧云铁涂层的最佳配方,该涂层具有良好的耐腐蚀性能。经过KH-550硅烷偶联剂处理后的钢铁基体表面上涂覆环氧云铁涂层,涂层的附着力及防腐性能均有所提高。

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