CN111024782A - 基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，包括辅助电极和参比电极，参比电极活动设置在辅助电极上，辅助电极上设置一电解液管，该电解液管下端开口能紧密压在待测试样品的表面，在电解液管内充填电解液，电解液与所述辅助电极和待测试样品电连接，所述参比电极下端部浸没在所述电解液内。本发明中，通过测量涂层/基底金属界面的电容或常相量角元件的参数，间接测量涂层的结合力，从而评价涂层的施工质量以及涂层的性能，测试过程中不破坏待测试样品表面的涂层，是一种无损的测量方法。

Description

基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置及方法

技术领域

本发明属于镀锌钢有机涂层附着力检测技术领域，尤其是一种基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置及方法。

背景技术

镀锌钢广泛应用于输电设备领域，其在沿海地区、工业发达地区的分布比较密集，但这些地区含有较高浓度的氯离子、硫的氧化物或其他有害离子或气体，而且湿度较大，上述因素都会加速镀锌钢的腐蚀。随着科学技术的发展，金属表面有机涂层覆盖的防腐方式也应用于镀锌钢的防腐，而涂层与基底金属的结合力是涂层性能的一项重要指标，涂层结合力差会导致涂层不能起到应有的保护效果，从而威胁到输电设备的安全。现有的涂层结合力测量方法为划叉法、划格法和拉开法等，均为破坏性方法，这样会破坏实际使用的设备的表面涂层，测量后，需要对涂层进行重新涂刷、修补，使用不便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供通过测量镀锌钢板/漆膜体系的电化学参数，分析镀锌钢板与漆膜之间的结合力与电化学参数的关系，建立无损的涂层结合力测量的一种基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：包括辅助电极和参比电极，参比电极活动设置在辅助电极上，辅助电极上设置一电解液管，该电解液管下端开口能紧密压在待测试样的表面，在电解液管内充填电解液，电解液与所述辅助电极和待测试样电连接，所述参比电极下端部浸没在所述电解液内。

再有，所述电解液管上方的辅助电极上设置一套筒，该套筒内活动设置参比电极，该参比电极底面的凸出部通过辅助电极对位设置的开孔伸入电解液管内。

再有，所述电解液管外缘下端套装一加强板。

再有，在电解液管下端开口处设置有密封圈。

再有，在电解液管开口处外缘设置有密封圈。

再有，所述套筒和电解液管均为绝缘材料制成。

再有，所述辅助电极为钛片或其它耐氯离子腐蚀的金属片或石墨片，所述待测试样为工作电极。

本发明的另一个目的是提供一种基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴制备数量不少于4的多个涂层试样，涂层体系及基底金属应与待测试样的涂层体系及基底金属相同；

⑵将测定装置固定在第一个步骤⑴所述的涂层试样的表面；

⑶在电解液管内加入电解液，然后装上参比电极，将参比电极、辅助电极和工作电极与电化学工作站对应的接线端子电连接；

⑷测量工作电极的交流阻抗，并按照等效电路进行等效电路的参数拟合；

⑸以步骤⑷所述的等效电路中的常相位角元件的系数值为特征电化学参数；

⑹采用划叉法或划格法测定步骤⑵所述的涂层试样表面的涂层附着力等级；

⑺重复步骤⑵～⑸，测定剩余的每一个涂层试样的特征电化学参数；

⑻将每一个涂层试样按照步骤⑹测定的涂层附着力等级为因变量，将涂层试样按照步骤⑸测定的特征电化学参数为自变量，进行回归分析，建立附着力等级与特征电化学参数之间的函数为：y＝a+bx，a和b为常数。

⑼以待测试样替换涂层试样，重复步骤⑵～⑸，得到待测试样的特征电化学参数值；

⑽将步骤⑼所述的特征电化学参数值代入步骤⑻所述的函数，得到待测对象的附着力等级。

再有，步骤⑵所述电解液为饱和KCl。

本发明的优点和有益效果是：

本发明中，将电解液管下端直接密封压在待测试样表面，电解液管上端设置辅助电极和参比电极，三个电极连接电化学工作站后进行电位和交流阻抗的测量，得到的特征电化学参数代入公式内计算出涂层附着力等级。本发明通过测量涂层/基底金属界面的电容或常相位角元件的参数，间接测量涂层的结合力，从而评价涂层的施工质量以及涂层的性能，测试过程中不破坏待测试样表面的涂层，是一种无损的测量方法。

附图说明

图1是本发明的工作状态图；

图2是图1中测定装置的剖视图；

图3是交流阻抗的等效电路图；

图4是试样的Nyquist图；

图5是涂层附着力与特征电化学参数的关系图；

图6是应用实施例的Nyquist图。

具体实施方式

本发明通过以下实施例进一步详述，但本实施例所叙述的技术内容是说明性的，而不是限定性的，不应依此来局限本发明的保护范围。

一种基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，本发明的创新在于：包括辅助电极9 和参比电极6，参比电极活动设置在辅助电极上，辅助电极上设置一电解液管8，该电解液管下端11开口能紧密压在待测试样14的表面，在电解液管内充填电解液18，电解液与辅助电极和待测试样电连接，参比电极下端部浸没在电解液内。

本实施例中，电解液管上方的辅助电极上设置一套筒7，该套筒内活动设置参比电极，该参比电极底面的凸出部16通过辅助电极对位设置的开孔17伸入电解液管内。套筒使用PVC 等绝缘材料制成，壁厚不大于1毫米，高度为20～30毫米，内径略大于参比电极外径。辅助电极耐氯离子腐蚀的金属片或石墨片，本实施例中为钛片，钛片上的开孔内径略大于凸出部的外径，正方形、圆形或长方形均可，边长或直径在20～30毫米的方位内取值。参比电极有多种类型，本实施例中为甘汞电极。待测试样为工作电极。电解液管使用PVC等绝缘材料制成，外径不大于10毫米，壁厚不大于1毫米，高度不大于10毫米。

电解液管外缘下端套装一加强板10，该加强板为有机玻璃板，正方形、圆形或长方形均可，边长或直径不小于50毫米。加强板起到了加固电解液管的作用，加强板的外侧13还可以通过夹具12使装置与待测试样表面紧密的压在一起。

在电解液管下端开口处设置有密封圈19，在电解液管开口处外缘设置有密封圈20。当夹具夹紧加强板和待测试样时，两处的密封圈使电解液管下端开口与待测试样表面紧密压在一起，避免电解液管内部的电解液泄漏。

上述工作电极、辅助电极和参与电极构成了三电极系统，三个电极与点化学工作站2的对应的接线端子3、4、5分别通过线缆电连接，电化学工作站还连接有计算机1。

上述基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置在使用时如图1所示，对待测试样进行测量时的大致过程是：

1.将测定装置固定在待测试样表面(涂刷防锈漆后的镀锌钢材质的设备表面)，辅助电极选用钛片，参比电极选用饱和甘汞电极，选择饱和KCl溶液作为电解液。

为了保证实验的正常进行，钛片要先进行处理，首先需要将钛片切割成合适的大小，然后在钛片中心处制出开孔，用不同层级的砂纸打磨金属钛片的表面，去除其表面金属氧化物。打磨后将光滑的金属钛片先后放进丙酮和乙醇中进行超声清洗，之后再用去离子水超声清洗，去除钛片的表面杂质，最后干燥后通过粘接等固定方式紧密的装在电解液管上端处。

2.通过钛片上的开孔向电解液管内加入电解液，使电解液的上液面与钛片位于电解液内的表面相接触(电连接)，将甘汞电极插入套筒内，使其凸出部自开孔处伸入电解液管内并浸没在电解液内，将参比电极、辅助电极和工作电极与电化学工作站对应的接线端子电连接；

3.测量工作电极的交流阻抗，并进行等效电路的参数拟合。上述测量交流阻抗可以多次测量，通过计算平均值的方式来尽可能的减小误差，比如：进行3次测量。

等效电路如图3所示，包括电阻元件Rs、R1、R2、R3、R4；电容元件C1、C2；常相位角元件Q1、Q2。

4.计算等效电路的特征电化学参数(特征电化学参数为常相位角元件Q2的取值)，该特征电化学参数也可以进行多次的计算，然后根据多个计算结果进行平均值的计算以尽可能的减小误差。

5.按照涂层附着力与特征电化学参数的函数关系计算出涂层结合力测定数值。

应用实施例

一.涂层附着力等级和特征电化学参数之间函数关系的计算

1.将12片厚度不小于0.3mm的50mm×50mm的镀锌钢试样(涂层试样)分成4组，每组3 片，对每组分别进行处理：

⑴第1组涂层试样不进行任何处理。命名为A组。

⑵第2组涂层试样表面打磨至600号水砂纸；去离子水清洗、无水乙醇脱脂。充分干燥。命名为B组。

⑶第3组涂层试样用浓盐酸腐蚀，使其表面出现明显的铁锈。取出后，自来水冲洗、干燥。命名为C组。

⑷第4组按第3组涂层试样的方法处理后，对带锈的干燥涂层试样试样用600号水砂纸在干燥状态下打磨后备用。命名为D组。

涂层体系和涂刷工艺为：1道富锌底漆+1道环氧中间漆+1道聚氨酯面漆。每组中的涂层试样的涂层附着力应有区别，最佳的方式是：每个涂层试样的涂层附着力均不同，这样有利于后续的计算。

2.按照与实际需要测量的待测试样相同的涂层体系和涂刷工艺，在前述12片涂层试样上进行涂刷。待漆膜充分干燥后，备用。

3.按图1所示安装测定装置。

4.用滴管通过钛片上的开孔向电解液管内注满饱和KCl溶液，在套筒内插入参比电极。

5.将三个电极连接电化学工作站或恒电位仪，分别进行每组的涂层试样的交流阻抗的测量。测量信号频率范围为0.01Hz到1000000Hz，振幅为5mV，温度为室温，测量结果见图4。

6.每个涂层试样的交流阻抗实验测量完成后，均用清水冲洗试样表面，干燥后，用划格法或划叉法测量该涂层试样的涂层附着力，每组中的测量结果取平均值。

7.根据测量得到的交流阻抗数据，按图3所示的等效电路进行参数拟合。

8.取Q2元件的n2值作为特征电化学参数，以n2值作为自变量(x值)，划叉法或划格法测得的附着力等级作为因变量(y值)，采用一元线性回归方法建立涂层附着力等级与n2值之间关系的数学模型。划格法结果和n2数值见表1：

表1：划格法测量的漆膜附着力和n2数值

试样编号	A	B	C	D
					金属表面状态	未做处理	除油打磨	泛锈	全面泛锈
附着力(划格)	3级	1级	2级	4级
					n2值	0.7323	0.9314	0.9988	0.7984

根据表1中的附着力和n2数值，以附着力等级为因变量，n2值为自变量，进行一元线性回归，得到如图5所示的回归方程：

y＝-5.9952x+7.4372

该回归方程适用于应用实施例中提到的“涂层体系和涂刷工艺为：1道富锌底漆+1道环氧中间漆+1道聚氨酯面漆。”的镀锌钢涂层的附着力的计算。如果是其它的常见的有机的涂层体系以及涂刷工艺，回归方程中的a和b的取值有可能不相同，但该两个数值均可以由本发明公开的操作过程计算出来。

二.实际需要测量的待测试样的涂层附着力的计算

野外某输电设备的柜体表面，该柜体的表面与应用实施例的处理相同，即按照“涂层体系和涂刷工艺为：1道富锌底漆+1道环氧中间漆+1道聚氨酯面漆。”的方式。柜体的材料为与应用实施例相同的镀锌钢。

将测定装置用夹具固定好，滴加电解液后安装好参比电极，连接好随身携带的电化学工作室，测量交流阻抗。

根据图3的等效电路拟合得到n2＝0.6704，带入回归方程后，得到y＝3.42，即该柜体表面处的涂层附着力等级在3级和4级之间。

对该处柜体进行划格法测量，得到验证的涂层附着力等级，测得涂层附着力为3级。

通过应用比较可知，本发明的测定装置能够比较精确的测定涂层附着力，而且不破坏输电设备的涂层的完整性，测量过程迅速，计算过程通过计算机完成。

本发明通过测量涂层/基底金属界面的电容或常相位角元件的参数，间接测量涂层的结合力，从而评价涂层的施工质量以及涂层的性能，测试过程中不破坏待测试样表面的涂层，是一种无损的测量方法。

Claims (9)

1.一种基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：包括辅助电极和参比电极，参比电极活动设置在辅助电极上，辅助电极上设置一电解液管，该电解液管下端开口能紧密压在待测试样的表面，在电解液管内充填电解液，电解液与所述辅助电极和待测试样电连接，所述参比电极下端部浸没在所述电解液内。

2.根据权利要求1所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：所述电解液管上方的辅助电极上设置一套筒，该套筒内活动设置参比电极，该参比电极底面的凸出部通过辅助电极对位设置的开孔伸入电解液管内。

3.根据权利要求2所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：所述电解液管外缘下端套装一加强板。

4.根据权利要求3所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：在电解液管下端开口处设置有密封圈。

5.根据权利要求3所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：在电解液管开口处外缘设置有密封圈。

6.根据权利要求4或5所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：所述套筒和电解液管均为绝缘材料制成。

7.根据权利要求6所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置，其特征在于：所述辅助电极为耐氯离子腐蚀的金属或石墨片，所述待测试样为工作电极。

8.根据权利要求7所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴制备数量不少于4的多个涂层试样，涂层体系及基底金属应与待测试样的涂层体系及基底金属相同；

⑵将测定装置固定在第一个步骤⑴所述的涂层试样的表面；

⑶在电解液管内加入电解液，然后装上参比电极，将参比电极、辅助电极和工作电极与电化学工作站对应的接线端子电连接；

⑷测量工作电极的交流阻抗，并按照等效电路进行等效电路的参数拟合；

⑸以步骤⑷所述的等效电路中的常相位角元件的系数值为特征电化学参数；

⑹采用划叉法或划格法测定步骤⑵所述的涂层试样表面的涂层附着力等级；

⑺重复步骤⑵～⑸，测定剩余的每一个涂层试样的特征电化学参数；

⑻将每一个涂层试样按照步骤⑹测定的涂层附着力等级为因变量，将涂层试样按照步骤⑸测定的特征电化学参数为自变量，进行回归分析，建立附着力等级与特征电化学参数之间的函数为：y＝a+bx，a和b为常数。

⑼以待测试样替换涂层试样，重复步骤⑵～⑸，得到待测试样的特征电化学参数值；

⑽将步骤⑼所述的特征电化学参数值代入步骤⑻所述的函数，得到待测对象的附着力等级。

9.根据权利要求8所述的基于交流阻抗分析的有机涂层结合力测定装置的使用方法，其特征在于：步骤⑵所述电解液为饱和KCL。

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