水性环氧涂层/碳钢体系腐蚀电化学行为研究

论文摘要

水性涂料替代传统溶剂型涂料是涂料工业的发展趋势,其具有低污染和低成本的优点,在金属防护领域得到了广泛应用,但目前水性防护涂层的性能还远远达不到溶剂型涂层的水平。机械零部件在安装、拆卸和使用过程中承受着不同程度的磨损,导致涂层防护寿命降低,因此,具有优异防腐性能同时兼具耐磨、润滑等功能性是机械零部件防护涂层发展的新要求。本文以用于海洋工程的紧固件腐蚀防护涂层为工程研究背景,以水性环氧清漆为涂层基料,通过加入不同的颜料,制备了具有防腐性能同时兼具润滑性能的紧固件水性防护涂层。采用电化学阻抗谱(EIS)、扫描电镜(SEM)和拉曼(Raman)光谱等测试技术研究了涂层中水的传输及浸泡过程中涂层/碳钢体系的腐蚀电化学行为,研究了颜料种类、含量、颜料与水性环氧树脂相容性对涂层抗渗透能力的影响。并将扫描振动电极技术(SVET)和EIS相结合,研究了带有人造缺陷的不同涂层/碳钢体系的腐蚀电化学行为,深化了对涂层阴极剥离行为的认识。首先,研究了水性环氧清漆中水的传输行为,结果表明,水性环氧清漆的抗渗透能力低于传统溶剂型环氧涂层。进一步的研究发现造成该现象的主要原因是清漆中存在大量纳米级微观缺陷。并且发现涂层的剥离机理是阴极剥离,缺陷处暴露的碳钢为阳极,剥离前缘处是阴极。进而,向水性环氧清漆中分别加入聚四氟乙烯(PTFE)、鳞片铝粉和纳米铝粉来提高涂层的防腐性能。结果表明,PTFE复合涂层可实现自分层结构,而且PTFE在涂层表面富集,赋予涂层润滑功能,但PTFE与水性环氧树脂的界面存在缝隙,导致PTFE复合涂层防腐性能下降。进行了利用鳞片状铝粉来提高水性环氧涂层防腐性能的研究。发现随着颜料体积浓度(PVC)增大,鳞片铝粉改性涂层的抗渗透能力下降。高PVC涂层浸泡过程中出现微弱的阴极保护作用,腐蚀产物堵塞涂层缺陷,短期内使涂层变得致密,但长期浸泡,由于涂层孔隙率较大,铝粉不能有效改善涂层防腐能力。还进行了向水性环氧树脂中加入纳米铝粉以提高涂层致密性的研究,发现当颜料含量为1%时,涂层的抗腐蚀介质渗透能力最好。并且纳米铝粉还具有阴极保护作用,有效抑制了涂层的阴极剥离,降低了涂层剥离速度。最后,进行了将纳米铝粉和PTFE复合来改性水性环氧清漆的研究,结果表明,纳米铝粉与PTFE发挥了协同效应,显著提高了涂层的抗渗透能力和防腐性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 有机涂层金属体系的腐蚀失效机制
• 1.3 涂层金属腐蚀的现代研究方法
• 1.3.1 电化学原位研究方法
• 1.3.2 其它分析技术
• 1.4 水在有机涂层中的传输行为
• 1.4.1 Fick扩散行为
• 1.4.2 非Fick扩散行为
• 1.5 有机涂层湿附着力与涂层腐蚀失效
• 1.6 水性防腐涂料及存在的问题
• 1.7 填（颜）料对涂层防腐性能的影响
• 1.8 课题研究背景及主要研究内容
• 1.8.1 课题的研究背景
• 1.8.2 课题主要研究内容
• 第2章 涂层/金属界面腐蚀行为SVET研究方法
• 2.1 扫描振动电极技术（SVET）的工作原理
• 2.2 有机涂层下金属局部腐蚀SVET研究方法的建立
• 2.2.1 电位梯度分布与电化学活性区域
• corr的计算'>2.2.2 腐蚀电流i_corr的计算
• 2.2.3 腐蚀电流密度的计算
• 2.2.4 带有人造缺陷的涂层的SVET测试
• 2.2.5 SVET线扫与涂层剥离速度
• 2.3 本章小结
• 第3章 水性环氧清漆/碳钢体系腐蚀电化学行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 水性环氧清漆的制备过程
• 3.2.2 电化学阻抗（EIS）实验
• 3.2.3 扫描振动电极技术（SVET）实验
• 3.2.4 扫描电镜（SEM）
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 水性环氧清漆的电化学阻抗谱特征
• 3.3.2 水在涂层中的传输行为研究
• 3.3.3 涂层阴极剥离行为的研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 PTFE复合涂层/碳钢体系腐蚀电化学行为研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 涂层配方设计
• 4.2.2 涂层制备过程
• 4.2.3 显微共焦拉曼（Raman）光谱仪分析
• 4.2.4 差示扫描量热（DSC）分析
• 4.2.5 其它实验
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 PTFE复合涂层固化工艺研究
• 4.3.2 EIS研究涂层的防腐性能
• 4.3.3 等效电路元件参数随时间的演化
• 4.3.4 PTFE与水性环氧树脂界面相容性研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 水性环氧铝粉涂层/碳钢体系腐蚀电化学行为研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 样品制备
• 5.2.2 物理表征
• 5.2.3 电化学阻抗谱和扫描振动电极技术
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同PVC涂层碳钢体系腐蚀电化学行为研究
• 5.3.2 自腐蚀电位随浸泡时间的演化
• 5.3.3 等效电路元件参数随浸泡时间的演化规律与涂层性能
• 5.3.4 片状铝粉对宏观缺陷的修复作用
• 5.4 本章小结
• 第6章 纳米铝粉复合涂层/碳钢体系腐蚀电化学行为研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 纳米铝粉预处理
• 6.2.2 样品制备
• 6.2.3 物理表征和电化学测试方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 不同颜料含量涂层/碳钢体系的阻抗谱特征
• 6.3.2 水在纳米铝粉涂层中的传输行为研究
• 6.3.3 颜料与成膜物质的界面相容性研究
• 6.3.4 涂层/金属界面腐蚀电化学行为研究
• 6.3.5 纳米铝粉的阴极保护机理
• 6.4 本章小结
• 第7章 纳米铝粉-PTFE复合涂层/碳钢体系腐蚀电化学行为研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 复合颜料浆的制备
• 7.2.2 样品制备
• 7.2.3 物理表征和电化学测试方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 EIS谱图特征分析
• c随浸泡时间的演化与涂层性能'>7.3.2 涂层电容C_c随浸泡时间的演化与涂层性能
• 7.3.3 特征频谱（Breakpoint Frequency Method）研究涂层性能
• 7.3.4 涂层/碳钢界面腐蚀电化学行为研究
• 7.3.5 涂层剥离行为研究
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢