邢新俠,甘志宏

(中國(guó)特種飛行器研究所,湖北荊門448035)

有機(jī)-無機(jī)納米聚硅氧烷涂料的耐蝕性研究

邢新俠,甘志宏

(中國(guó)特種飛行器研究所,湖北荊門448035)

摘.要.目的研究有機(jī)-無機(jī)納米聚硅氧烷涂料的耐蝕性。方法將涂層試樣制作劃痕后,采用鹽霧試驗(yàn)方法和鹽溶液周浸試驗(yàn)方法進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn),采用最大剝落值對(duì)涂層剝落程度進(jìn)行量化考核。結(jié)果獲得了4種涂料在試驗(yàn)環(huán)境下的腐蝕失效模式、失效過程、失效程度、以及涂層損傷隨加速腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律等方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)論在鹽霧試驗(yàn)中,涂層的失效模式主要是剝落,鹽溶液周浸試驗(yàn)主要是剝落和鼓泡。在鹽霧腐蝕環(huán)境下,3#涂料耐蝕性最佳,在周浸腐蝕環(huán)境下1#涂料耐蝕性最佳。采用最大剝落值對(duì)涂層的剝落程度進(jìn)行量化考核是可行的。

涂料;耐蝕性;鹽霧試驗(yàn);鹽溶液周浸試驗(yàn)

水上飛機(jī)多在海洋環(huán)境下服役,海洋環(huán)境十分惡劣,具有風(fēng)浪大、濕度大、溫差大、鹽霧重、大氣污染重等特點(diǎn),腐蝕問題非常嚴(yán)重[1—4]。腐蝕在很大程度上降低了裝備的安全性、戰(zhàn)備完好性和作戰(zhàn)效能的發(fā)揮,同時(shí)也造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此水上飛機(jī)在設(shè)計(jì)中要根據(jù)產(chǎn)品的使用特點(diǎn)、壽命、環(huán)境、防護(hù)目的等合理地選擇表面防護(hù)涂層。這可以有效地控制金屬材料的腐蝕,提高飛機(jī)抗蝕性能[5—6]。有機(jī)-無機(jī)納米聚硅氧烷涂料具有優(yōu)異的耐久性、高固體分、低VOC和非異氰酸酯固化等優(yōu)勢(shì),成為取代傳統(tǒng)面漆的理想產(chǎn)品[7—10]。文中通過對(duì)有機(jī)-無機(jī)納米聚硅氧烷涂料試樣制作劃痕,開展中性鹽霧試驗(yàn)和酸性鹽溶液周浸試驗(yàn),研究了4種納米聚硅氧烷涂料的耐腐蝕性能[11—12],為評(píng)定水上飛機(jī)候選涂層的抗腐蝕品質(zhì)和實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境譜的編制提供了參考。

1 試驗(yàn)

采用中性鹽霧試驗(yàn)?zāi)M水上飛機(jī)停放的環(huán)境,測(cè)試涂層的耐鹽霧性能。采用酸性鹽溶液周浸試驗(yàn)方法模擬飛機(jī)干濕交替的服役環(huán)境,測(cè)試涂層的耐酸性鹽水周期浸泡性能。

1.1 試樣

平板試樣(試片)材質(zhì)為2A12鋁合金,每種涂層制備7件平行試樣,其中1件備用,3件用于鹽霧試驗(yàn),3件用于鹽溶液周浸試驗(yàn)。鋁板經(jīng)過硫酸陽極化處理,用丙酮清洗干凈后烘干,浸涂涂料,所用涂料為納米金屬氧化物和特殊的硅烷?；谌苣z-凝膠(sol-gel)技術(shù)制備而成的有機(jī)-無機(jī)聚硅氧烷復(fù)合涂料,除3#為1K Clearcoat-U-SIL110(Nano Tech Coatings,GMBH)外,其余為國(guó)內(nèi)研究院所自主研發(fā)。膜層固化后,測(cè)量漆膜厚度。試樣沿對(duì)角線預(yù)制2條交叉劃痕,劃痕應(yīng)劃透涂層及陽極化膜層至底材,且劃痕離試板的任一邊緣大于20 mm。試樣相關(guān)信息見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用VSC1000鹽霧試驗(yàn)箱和ZJF-100周期浸潤(rùn)試驗(yàn)箱進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)。

表1 試樣詳情Table 1 Information of the samples

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1鹽霧試驗(yàn)

按照GJB 150.11—86軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)[13],采用中性鹽溶液連續(xù)噴霧。試驗(yàn)溫度為35℃,鹽溶液為(5±1)%的氯化鈉溶液,pH值為6.5～7.2,鹽霧沉降量為1～2 mL/(80 cm2· h)。試驗(yàn)周期32天。

1.3.2鹽溶液周浸試驗(yàn)

按照 GB/T 19746—2005進(jìn)行鹽溶液周浸試驗(yàn)[14]。試驗(yàn)溶液溫度為40℃(采用定制恒溫水浴槽控制),試驗(yàn)相對(duì)濕度為(60±5)%(試驗(yàn)過程中設(shè)備敞開),試驗(yàn)溶液為(50±5)g/L的氯化鈉溶液,用稀硫酸和稀硝酸調(diào)節(jié)溶液pH值為3.5±0.1,暴露時(shí)間選用浸漬1.5 min和干燥13.5 min。試驗(yàn)周期為21天。

1.4 檢測(cè)

鹽霧試驗(yàn)每4天檢測(cè)1次試樣外觀,鹽溶液周浸試驗(yàn)每天觀察1次外觀,如遇開箱可適當(dāng)縮短檢測(cè)周期,拍照記錄外觀形貌。為便于比較,采用最大剝落值描述劃痕處涂層的剝落情況。最大剝落值即圖1中垂線段ef的長(zhǎng)度。

圖1 最大剝落值示意Fig.1 Sketch of the maximum value of peeling

2 結(jié)果與分析

2.1 劃痕處涂層剝落情況

對(duì)鹽霧試驗(yàn)試樣和周浸試驗(yàn)試樣劃痕處涂層的最大剝落值進(jìn)行測(cè)量,對(duì)同種漆膜3個(gè)平行試樣的最大剝落值求取平均值作圖,如圖2所示。

圖2 劃痕處涂層剝離情況Fig.2 The coatings＇peeling status of the scratch site

由圖2a可見,鹽霧試驗(yàn)結(jié)束時(shí),試樣劃痕處涂層的剝落程度依次是:2#＞1#＞4#＞3#。在鹽霧試驗(yàn)18天后各涂層試樣曲線基本趨于直線,剝落擴(kuò)展速度基本恒定。比較涂層剝落速度(直線斜率),依次為:2#=1#＞4#＞3#。由圖2b可見,周浸試驗(yàn)結(jié)束時(shí),試樣劃痕處的涂層的剝落程度依次是:2#＞4#＞1#＞3#。在周浸試驗(yàn)12天后各試樣曲線基本趨于直線,剝落擴(kuò)展速度基本恒定。比較涂層剝落速度(直線斜率),依次為:2#＞1#＞4#＞3#。由圖2可見,兩種試驗(yàn)中3#涂層均未發(fā)生明顯的剝落現(xiàn)象,2#涂層剝落最為嚴(yán)重。

2.2 鼓泡情況

鹽霧試驗(yàn)中,各涂層試樣均未出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。周浸試驗(yàn)中涂層試樣的鼓泡情況比較嚴(yán)重。其中比較特殊的是3#涂層試樣,鹽霧試驗(yàn)結(jié)束時(shí),3#涂層表面光滑如初,受到鹽霧影響不大。周浸試驗(yàn)中3#涂層試樣在第1周期就出現(xiàn)了廣布不連續(xù)的蝕點(diǎn),后隨試驗(yàn)的進(jìn)行,蝕點(diǎn)逐漸衍變?yōu)楣呐?試驗(yàn)結(jié)束(21天)時(shí),涂層表面鼓泡發(fā)生破裂,蝕點(diǎn)完全連成一體。3#涂層試樣在鹽霧試驗(yàn)第32天時(shí)的宏觀形貌如圖3a所示,3#涂層試樣在試驗(yàn)第6天和第21天時(shí)的宏觀形貌分貝如圖3b和圖3c所示。出現(xiàn)這種情況主要是由于這兩種腐蝕試驗(yàn)的腐蝕溶液和試驗(yàn)方法不同而引起的。周浸試驗(yàn)時(shí),試樣處于干濕交替的狀態(tài),試驗(yàn)溫度和腐蝕溶液的氫離子含量高于鹽霧試驗(yàn),同時(shí)還受到烘烤燈加熱的作用,涂層的部分分子鍵遭到破壞,抗?jié)B透性下降。此外由于氫離子的催化作用,復(fù)合涂層體系還會(huì)進(jìn)一步發(fā)生水解反應(yīng),以致涂層難以形成完整致密的保護(hù)層。這樣有害介質(zhì)就會(huì)滲入涂層,達(dá)到涂層/金屬界面,形成微觀腐蝕原電池[15],繼而鋁合金底材發(fā)生點(diǎn)蝕。隨著腐蝕產(chǎn)物的增加,漆膜逐漸被頂起,形成了大面積的鼓泡。由于3#涂層存在這樣巨大性能差異,其只宜用于飛機(jī)飛機(jī)內(nèi)部。

圖3 3#涂層試樣照片F(xiàn)ig.3 Images of 3#coating samples

鹽溶液周浸試驗(yàn)中各試樣的蝕點(diǎn)和鼓泡情況見表2。由表2可知,1#和4#涂層耐酸性鹽水周期浸泡性能較好。雖然4#比1#先出現(xiàn)鼓泡,但在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)二者鼓泡總個(gè)數(shù)和最大直徑是相同的。這說明4#涂層試樣鼓泡變大的速度比1#小。這與從剝落曲線上得到的4#涂層小于1#涂層剝落速度的結(jié)果是一致的。

2.3 試樣宏觀形貌分析

1#,2#,4#涂層試樣在鹽霧試驗(yàn)第32天和周浸試驗(yàn)第21天時(shí)的宏觀形貌如圖4所示。由于試樣邊緣的剝落情況受多種因素的影響,如浸涂工藝、試樣邊緣的磨損程度、邊緣效應(yīng)等,故不宜將試樣邊緣涂層剝落情況作為主要的篩選依據(jù),但仍有一定的參考價(jià)值。由圖4可見,相對(duì)1#涂層試樣,在兩種腐蝕試驗(yàn)環(huán)境下4#涂層試樣邊緣剝落情況均較嚴(yán)重,2#涂層試樣最為嚴(yán)重。

表2 周浸試驗(yàn)中涂層鼓泡情況Table 2 Blistering of coatings in alternate immersion test

圖4 周期浸潤(rùn)試驗(yàn)21天和鹽霧試驗(yàn)32天各試樣宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of each sample after twenty-one days＇alternate immersion test and thirty-two days＇salt fog test

3 結(jié)論

1)鹽霧試驗(yàn)涂層試樣的主要失效形式是剝落,周浸試驗(yàn)涂層試樣主要是剝落和鼓泡。綜合考慮各涂層試樣的剝落、鼓泡情況、起始破壞時(shí)間及各試樣最終宏觀形貌,在鹽霧腐蝕環(huán)境下,3#涂料耐蝕性最好,1#涂料次之,2#涂料最差;在周浸腐蝕環(huán)境下,1#涂料耐蝕性最好,4#涂料次之,3#涂料最差。

2)采用最大剝落值對(duì)涂層的剝落情況進(jìn)行量化考核是可行的。該方法除了可直觀比較各涂層的耐剝落性能外,還可用于分析各涂層剝落情況隨試驗(yàn)時(shí)間的變化規(guī)律,預(yù)測(cè)涂層剝落速度。

3)鑒于3#涂層在兩種加速腐蝕試驗(yàn)中巨大性能差異,3#涂層只宜作為飛機(jī)內(nèi)部的裝飾性面漆。

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Research on the Corrosion Resistance of Organic-Inorganic Nano Polysiloxane Coatings

XING Xin-xia,GAN Zhi-hong
(Special Vehicle Research Institute of China,Jingmen 448035,China)

Objective To study the corrosion resistance of organic-inorganic nano polysiloxane coatings.Methods According to the salt spray test method and salt solution alternate immersion test method,the accelerated corrosion tests were conducted on the coated samples with scratches.The maximum peeling value was used to quantitatively assess the peeling degree of coatings.Results Corrosion failure mode,corrosion degradation process,corrosion damage extent,and the change disciplinarian of corrosion damage extent with the accelerated corrosion time were obtained for the four kinds of coatings in the test environment.Conclusion The major failure mode of coatings in salt fog test was peeling,while the major modes in salt solution alternate immersion test were peeling and blistering.In the salt spray corrosion environment,3#coating had the best corrosion resistance,and in the alternate immersion corrosion environment,1#coating had the best corrosion resistance.Using the maximum peeling value to quantitatively assess the peeling degree of coatings was practical.

coating;corrosion resistance;salt fog test;salt solution alternate immersion test

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.011

V250.2;TG174.2

:A

1672-9242(2014)06-0065-05

2014-07-07;

2014-07-27

Received:2014-07-07;Revised:2014-07-27

邢新俠(1981—),女,河北南宮人,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)楦g防護(hù)與控制。

Biography:XING Xin-xia(1981—),Female,from Nangong,Hebei,Master,Engineer,Research focus:corrosion prevention and control.