CN103091243A - 一种重防腐有机涂层快速量化评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种重防腐有机涂层快速量化评价方法，以16MnR钢基纳米重防腐有机涂层为例，将试样切成10mm×10mm的小试块，并用铜导线焊接在试片的边缘，除单侧10mm×10mm的腐蚀暴露面以外，其它的表面用704硅橡胶涂覆，对涂层进行电化学阻抗谱测试，测试采用幅值为5mV的正弦波，测试频率为10-100kHz，对测试后的阻抗谱数据采用Zsimpwin软件进行图谱解析和数据拟合分析，实现其评价；其中包括纳米重防腐涂层设计，测定不同盐雾腐蚀时间的纳米有机涂层试样的阻抗谱，并进行等效电路解析得到电化学参数值，即通过法拉第定律计算得到腐蚀速率等。

Description

一种重防腐有机涂层快速量化评价方法

技术领域

该专利属于材料腐蚀与防护技术领域，主要应用于对重防腐有机涂层防护效果和有效寿命的快速量化考核评价。 

背景技术

有机涂层的老化机制复杂多样，工程上主要通过长期现场监测对有机涂层的破损程度和寿命进行预估，在涂层完全失效前难以对其失效程度进行量化评价，因此重防腐有机涂层的快速量化评价是整个金属腐蚀与防护领域的一个技术难题。 

绝大多数腐蚀过程主要是电化学反应过程，其腐蚀行为在的不同阶段具有不同的电化学特征，因此采用电化学方法对纳米有机涂层的变化进行量化评价。电化学测量技术分为稳态和暂态两大类。当以所谓的稳态技术研究腐蚀环境时，如利用低扫描速度的线性扫描伏安法只能得到腐蚀过程的速度决定步骤信息。然而，金属的腐蚀机理通常包括不只一个步骤。作为一种暂态电化学测量技术，电化学阻抗（Elect rochemical Impedance Spect roscopy）技术采用小振幅的正弦波极化信号，一方面由于扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，使得测量结果的数学处理变得简单；另一方面，由于在电极上交替进行着阴极过程和阳极过程，不会引起极化的积累性发展，不会使涂层体系在测量中发生大的改变，故可以对其进行反复多次测量，因此可用于研究涂层破坏的动力学过程。同时，电化学阻抗方法作为一种频率域的测量方法，可以在很宽的频率范围对涂层体系进行测量，因而可以在不同的频率段分别得到涂层电容、微孔电阻以及涂层下腐蚀反应电阻、双电层电容等与涂层性能及涂层破坏过程有关的动力学信息及电极界面结构的信息。因此，利用电化学阻抗技术研究重防腐有机涂层在特定环境中的腐蚀电化学行为和失效机理，对其在腐蚀过程中的变化进行量化考核，对其防腐效果进行预估。 

本发明创新点及有益效果：提出并采用电化学阻抗谱技术研究了重防腐有机涂层的失效过程，对测试后的阻抗谱数据进行图谱解析和数据拟合分析，解决了重防腐有机涂层防腐效果快速量化考核评价的难题。 

发明内容

本发明的目的在于：设计一种用于特定环境下重防腐纳米有机涂层防腐效果量化评价的方法，可对涂层的有效寿命进行快速量化评估，该方法可在其它重防腐涂层的快速量化考核评价方面进行有效利用，有重要的应用价值。 

本发明的目的是这样实现的：一种重防腐有机涂层快速量化评价方法，其特征在于：以16MnR钢基纳米重防腐有机涂层为例，将试样切成10mm×10mm的小试块，并用铜导线焊接在试片的边缘，除单侧10mm×10mm的腐蚀暴露面以外，其它的表面用704硅橡胶涂覆，对涂层进行电化学阻抗谱测试，测试采用幅值为5mV的正弦波，测试频率为10-100kHz，对测试后的阻抗谱数据采用Z s impwin软件进行图谱解析和数据拟合分析，实现重防腐有机涂层的快速量化评价； 

其中纳米重防腐涂层设计：纳米环氧富锌底漆厚度30-150μm、纳米环氧封闭底漆厚度30-200μm、环氧不锈钢鳞片中间漆厚度50-800μm、纳米封孔防腐面漆厚度40-250μm、总膜厚厚度150-1400μm； 

其中实验溶液配制：溶液以5%NaCl溶液为基础，按照现场环境空气冷凝水中阴离子含量添加HCl、H₂SO₄、NaHCO₃等，加入NaHO，使溶液的pH值为7； 

测定不同盐雾腐蚀时间的纳米有机涂层试样的阻抗谱，并进行等效电路解析得到它们的电化学参数值(附表)： 

其中通过法拉第定律计算得到腐蚀速率： 

$\mathrm{CR}=3.28\×\frac{M}{\mathrm{n\ρ}}{i}_{\mathrm{corr}}---\left(1\right)$

式中，CR为腐蚀速率，mm/a；M为金属的摩尔质量，g/mol；n为金属的化合价；ρ为金属密度，g/cm3；i_corr为腐蚀电流密度,mA/cm²；盐雾腐蚀实验时间每延长10d，涂层的腐蚀速率大约增大1个数量级； 

对纳米有机涂层试样的腐蚀速率与盐雾实验时间的关系进行拟合分析（附图）； 

其中富锌涂层腐蚀速率的对数与盐雾实验时间大致成正比： 

ln(R(t))＝-7.2062+74.507×t 

(2) 

式中，R(t)为t时刻富锌涂层的腐蚀速率，μm/a；t为盐雾实验时间，a，对（2）进行变换可得： 

$\frac{\mathrm{dD}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=R\left(t\right)=\mathrm{Exp}(-7.2062+74.507\×t)---\left(3\right)$

式中，D(t)为t时刻已发生腐蚀的富锌涂层的厚度，μm，在（0，T）范围内对（3）式进行定积分可得： 

D(T)-D(0)＝-9.95841×10^-6+9.95841×10^-6Exp(74.507×T)(4) 

取富锌涂层中的锌含量为80％，则D（T）=0.8×80=64μm，与D（0）=0一起代入（4）式可得，T＝0.210a=76.7d，当纳米重防腐有机涂层体系中80μm厚的纳米富锌涂层在上述特定的盐雾加速腐蚀实验环境，通过阴极保护作用在76.7d内 防止16MnR钢基体发生腐蚀，从而实现了纳米有机涂层的快速量化考核评价。 

本发明评价方法，通过对涂层试样的腐蚀速率与腐蚀时间进行拟合分析实现了重防腐有机涂层寿命的量化评价；适用于重防腐有机涂层，即包括富含金属的底漆的复合涂层，也包括以金属基体或金属涂层为基底的重防腐有机涂层；对电化学阻抗谱进行等效电路解析获得涂层的腐蚀速率，进而与裸钢试样腐蚀速率对比实现了其防护效果的量化考核，然后通过拟合分析实现了纳米有机涂层寿命的量化评价，从而实现了纳米重防腐有机涂层的快速量化评价，彰显了技术进步。 

附图说明

以下结合附图对发明作进一步说明。 

附图为试样的腐蚀速率与盐雾时间的拟合分析示意图； 

如图所示：在研究范围内，富锌涂层腐蚀速率的对数与盐雾实验时间成正比。 

具体实施方式

以下结合实施例对发明作进一步说明。 

实施例 

试样经不同时间盐雾腐蚀后，采用电化学阻抗谱技术测试其腐蚀速率。先将试样切成10mm×10mm的小试块，并用铜导线焊接在试片的边缘，除单侧10mm×10mm的腐蚀暴露面以外，其它的表面均用704硅橡胶涂覆，利用美国阿美特克公司生产的PARSTAT2273电化学工作站对涂层进行电化学阻抗谱测试，测试采用三电极电解池，其中参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为石墨棒；电化学阻抗谱的测试采用幅值为5mV的正弦波，测试频率为10-100kHz，对测试后的阻抗谱数据采用Zsimpwin商业软件进行等效电路解析。 

为考核这种重防腐有机涂层快速量化评价方法的应用效果，采用该方法对一种16MnR钢基纳米有机重防腐涂层在一种特定的盐雾加速腐蚀实验环境中进行快速量化考核，使用的纳米有机涂层体系见表1。 

表1纳米重防腐涂层设计 

特定环境中影响涂层及其基体耐腐蚀性的环境参数见表2。 

表2特定环境空气冷凝水部分离子含量分析（mg/L） 

参照标准GB/T1771设计盐雾加速腐蚀实验，溶液以5%NaCl溶液（以分析纯NaCl溶质和去离子水溶液配置）为基础，按照现场环境空气冷凝水中离子含量添加部分阴离子，加入HCl、H₂SO₄、NaHCO₃等，使阴离子含量如表2所示，加入NaHO，使溶液的pH值为7。 

测定经历不同盐雾腐蚀时间的纳米有机涂层试样的阻抗谱，并进行等效电路解析得到它们的电化学参数值，如表3所示。 

表3纳米有机涂层试样和裸钢试样的盐雾实验腐蚀速率 

通过法拉第定律计算得到腐蚀速率： 

$\mathrm{CR}=3.28\×\frac{M}{\mathrm{n\ρ}}{i}_{\mathrm{corr}}---\left(1\right)$

式中，CR为腐蚀速率，mm/a；M为金属的摩尔质量，g/mol；n为金属的化合价；ρ为金属密度，g/cm³；icorr为腐蚀电流密度,mA/cm²。 

通过与裸钢试样对比可知：纳米有机涂层能够显著提高16MnR钢容器在洞室环境中的耐腐蚀能力，其腐蚀速率在研究范围内降低了5046倍以上；而且在研究范围内，盐雾腐蚀实验时间每延长10d，涂层的腐蚀速率大约增大1个数量级。 

对纳米有机涂层试样的腐蚀速率与盐雾实验时间的关系进行拟合分析，如图所示。在研究范围内，富锌涂层腐蚀速率的对数与盐雾实验时间大致成正比，如公式（2）所示。 

ln(R(t))＝-7.2062+74.507×t(2) 

式中，R(t)为t时刻富锌涂层的腐蚀速率，μm/a；t为盐雾实验时间，a，对（2）进行变换可得： 

$\frac{\mathrm{dD}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=R\left(t\right)=\mathrm{Exp}(-7.2062+74.507\×t)---\left(3\right)$

式中，D（t）为t时刻已发生腐蚀的富锌涂层的厚度，μm，在（0，T）范围内对（3）式进行定积分可得： 

D(T)-D(0)＝-9.95841×10^-6+9.95841×10^-6Exp(74.507×T)(4) 

取富锌涂层中的锌含量为80％，则D（T）=0.8×80=64μm，与D（0）=0一起代入（4）式可得，T=0.210a=76.7d，表明表2所示的纳米重防腐有机涂层体系中80μm厚的纳米富锌涂层在上述特定的盐雾加速腐蚀实验环境，可以通过阴极保护作用在76.7d内防止16MnR钢基体发生腐蚀，从而实现了纳米有机涂层的快速量化考核评价。 

Claims (2)

1.一种重防腐有机涂层快速量化评价方法，其特征在于：以16MnR钢基纳米重防腐有机涂层为例，将试样切成10mm×10mm的小试块，并用铜导线焊接在试片的边缘，除单侧10mm×10mm的腐蚀暴露面以外，其它的表面用704硅橡胶涂覆，对涂层进行电化学阻抗谱测试，测试采用幅值为5mV的正弦波，测试频率为10-100kHz，对测试后的阻抗谱数据采用Zsimpwin软件进行图谱解析和数据拟合分析，实现其评价；

其中纳米重防腐涂层设计：纳米环氧富锌底漆厚度30-150μm、纳米环氧封闭底漆厚度30-200μm、环氧不锈钢鳞片中间漆厚度50-800μm、纳米封孔防腐面漆厚度40-250μm、总膜厚厚度150-1400μm；

其中实验溶液配制：溶液以5%NaCl溶液为基础，按照现场环境空气冷凝水中阴离子含量添加HCl、H₂SO₄、NaHCO₃等，加入NaHO，使溶液的pH值为7；

测定不同盐雾腐蚀时间的纳米有机涂层试样的阻抗谱，并进行等效电路解析得到电化学参数值：

其中通过法拉第定律计算得到腐蚀速率：

$\mathrm{CR}=3.28\×\frac{M}{\mathrm{n\ρ}}{i}_{\mathrm{corr}}---\left(1\right)$

式中，CR为腐蚀速率，mm/a；M为金属的摩尔质量，g/mol；n为金属的化合价；ρ为金属密度，g/cm³；i_corr为腐蚀电流密度,mA/cm²；盐雾腐蚀实验时间每延长10d，涂层的腐蚀速率大约增大1个数量级；

对纳米有机涂层试样的腐蚀速率与盐雾实验时间的关系进行拟合分析；

其中富锌涂层腐蚀速率的对数与盐雾实验时间大致成正比：

ln(R(t))＝-7.2062+74.507×t

(2)

式中，R(t)为t时刻富锌涂层的腐蚀速率，μm/a；t为盐雾实验时间，a。对（2）进行变换可得：

$\frac{\mathrm{dD}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=R\left(t\right)=\mathrm{Exp}(-7.2062+74.507\×t)---\left(3\right)$

式中，D(t)为t时刻已发生腐蚀的富锌涂层的厚度，μm。在（0，T）范围内对（3）式进行定积分可得：

D(T)-D(0)＝-9.95841×10^-6+9.95841×10^-6Exp(74.507×T)  (4)

取富锌涂层中的锌含量为80％，则D（T）=0.8×80=64μm，与D（0）=0一起代入（4）式可得，T＝0.210a=76.7d，当纳米重防腐有机涂层体系中80μm厚的纳米富锌涂层在上述特定的盐雾加速腐蚀实验环境，可以通过阴极保护作用在76.7d内防止16MnR钢基体发生腐蚀，从而实现了纳米有机涂层的快速量化考核评价。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：重防腐有机涂层包括富含金属的底漆的复合涂层，也包括以金属基体或金属涂层为基底的重防腐有机涂层。

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