徐 凱

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽 110000）

0 引言

電力領(lǐng)域大量采用鋼結(jié)構(gòu)、鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)作為輸變電設(shè)施的支撐材料，這些鋼結(jié)構(gòu)曝露于具有腐蝕性的大氣、土壤及水介質(zhì)中，造成材料腐蝕，引發(fā)電力運(yùn)行事故[1]。目前電力鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕方案主要為熱浸鋅工藝。實(shí)際應(yīng)用中，在海洋大氣、工業(yè)污染以及強(qiáng)電磁場環(huán)境中，往往實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命[2]。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕后需對其及時(shí)進(jìn)行涂層修復(fù)，防止材料腐蝕積累到影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。材料腐蝕后形成的腐蝕產(chǎn)物，也即是銹，會(huì)嚴(yán)重影響涂層與金屬的結(jié)合，進(jìn)而大大降低涂層的防護(hù)效果與使用壽命。通常在運(yùn)行中的高壓設(shè)施中進(jìn)行除銹是非常危險(xiǎn)的，現(xiàn)場的除銹效果也有限。針對這一長期困擾電力行業(yè)的問題，本文提出了環(huán)氧-磷酸銹轉(zhuǎn)化涂層體系，對其制備及成分配比影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用的基體金屬為Q235鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 Q235鋼化學(xué)成分表（wt.%）

使用前Q235鋼被線切割成塊狀，用于微觀形貌分析的樣品尺寸為20×20×2mm，用作附著力測試的樣品尺寸為30×30×2mm，用作鹽霧實(shí)驗(yàn)的樣品尺寸為40×40×2mm。試片在使用前用120目的玻璃微珠進(jìn)行噴砂處理，以除去表面的氧化膜、浮銹等污染物，同時(shí)增加金屬表面的粗糙度。噴砂后的樣品經(jīng)30min超聲波丙酮除油后迅速用電吹風(fēng)吹干并放入干燥器中備用。實(shí)驗(yàn)中使用的環(huán)氧樹脂為縮水甘油醚型雙酚A環(huán)氧樹脂，其型號(hào)為E-44，環(huán)氧值為0.41～0.47mol/100g，上海樹脂廠生產(chǎn)。固化劑為一種改性聚胺，型號(hào)為5772，胺值為660～850mgKOH/g，活潑氫當(dāng)量為48，上海樹脂廠生產(chǎn)。

2 銹轉(zhuǎn)化復(fù)合防腐涂料的制備

2.1 制備反應(yīng)機(jī)理

如圖1所示，環(huán)氧樹脂E44中的環(huán)氧基團(tuán)可以與磷酸發(fā)生反應(yīng)，形成環(huán)氧-磷酸酯，當(dāng)E44/磷酸的摩爾比為1∶2時(shí)，因?yàn)榱姿岬姆磻?yīng)官能團(tuán)過量，可以實(shí)現(xiàn)對E44的封端，形成兩端帶有磷酸官能團(tuán)的有機(jī)/無機(jī)雜化分子。而當(dāng)E44/磷酸的摩爾比大于1∶2時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，磷酸之間可以發(fā)生脫水縮合，形成聚磷酸結(jié)構(gòu)，或以氫鍵的方式結(jié)合在一起形成多聚磷酸的形式。

圖1 環(huán)氧-磷酸酯制備反應(yīng)機(jī)理

2.2 銹轉(zhuǎn)化涂料制備工藝

2.2.1 環(huán)氧-磷酸酯的制備

稱取22.85g E44型環(huán)氧樹脂于100ml錐形瓶中，加入40mL丙酮，分別按E44∶H3PO4=1∶2，1∶3，1∶4，1∶5的摩爾比加入磷酸。將錐形瓶置于磁力攪拌器上攪拌，使得E44與磷酸混合均勻，然后升溫至65℃反應(yīng)1h，再升溫至85℃回流反應(yīng)1h。撤掉回流裝置，于85℃反應(yīng)0.5h，使體系中多余的丙酮溶劑揮發(fā)，并在丙酮揮發(fā)過程中帶走體系中的水分。待體系黏度適當(dāng)時(shí)停止加熱，冷卻至室溫，獲得E44∶H3PO4摩爾比為1∶2，1∶3，1∶4和1∶5的4種環(huán)氧-磷酸酯。

2.2.2 環(huán)氧樹脂銹轉(zhuǎn)化防腐涂層制備

用制備的三種環(huán)氧-磷酸酯對鹽霧條件下Q235鋼3h銹蝕產(chǎn)物進(jìn)行轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)。用丙酮和正丁醇將4種環(huán)氧-磷酸酯分別調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)臐舛?，使用刷子將每種環(huán)氧-磷酸酯轉(zhuǎn)化液分別刷涂在20×20×2mm 、30×30×2mm、40×40×2mm和50×50×2mm尺寸的Q235鋼在鹽霧試驗(yàn)3h的銹蝕表面，涂刷后于室溫放置6～12h，待明顯觀察到銹蝕產(chǎn)物分解和發(fā)黑現(xiàn)象，且轉(zhuǎn)化液表干到適當(dāng)程度，用刷子在轉(zhuǎn)化層表面涂刷環(huán)氧樹脂清漆。室溫自然固化，獲得環(huán)氧樹脂銹轉(zhuǎn)化防腐涂層樣品。

3 結(jié)果與討論

3.1 酸含量對銹轉(zhuǎn)化效果的影響

環(huán)氧-磷酸酯型轉(zhuǎn)化液對鹽霧條件下Q235鋼表面3h銹蝕產(chǎn)物具有轉(zhuǎn)化作用，且環(huán)氧-磷酸酯中含有的磷酸比例越大，轉(zhuǎn)化效果越好。E44∶H3PO4的摩爾比為1∶2的轉(zhuǎn)化液對3h銹蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化能力較差，不能夠完全轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化層表面仍可見棕黃色未反應(yīng)的銹蝕產(chǎn)物。E44∶H3PO4摩爾比為1∶3的轉(zhuǎn)化液對3h銹蝕產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化效果較好，使得大部分銹蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為黑色絡(luò)合物，但仍舊不能將銹蝕產(chǎn)物完全轉(zhuǎn)化。E44∶H3PO4摩爾比為1∶4的轉(zhuǎn)化液能夠有效的轉(zhuǎn)化3h銹蝕產(chǎn)物，使得棕黃色銹蝕產(chǎn)物基本轉(zhuǎn)化為黑色絡(luò)合物。E44∶H3PO4摩爾比為1∶5的轉(zhuǎn)化液由于磷酸用量過度，過量的磷酸與基體發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)過于劇烈，產(chǎn)生大量氣泡，雖然轉(zhuǎn)化效果良好，使得銹蝕產(chǎn)物完全分解轉(zhuǎn)化，但形成的轉(zhuǎn)化層殘留大量氣泡和空洞，不是理想的轉(zhuǎn)化效果。圖2為不同磷酸含量涂層的轉(zhuǎn)化效果截面微觀形貌圖。從圖2中可以看出，H3PO4比例不足時(shí)，轉(zhuǎn)化液對銹蝕產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化能力較差，對于銹蝕層厚的位置不能滲透到基體表面，這樣就形成了在基體表層某些部位殘留一層未反應(yīng)的銹蝕產(chǎn)物的情況。未反應(yīng)的銹蝕產(chǎn)物薄層與上層的有機(jī)無機(jī)雜化銹轉(zhuǎn)化層的相容性較差，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)化層與Q235鋼基體之間因剝離形成的縫隙。E44∶H3PO4摩爾比為1∶3的轉(zhuǎn)化液的轉(zhuǎn)化能力明顯提高，銹蝕產(chǎn)物被分解的更細(xì)小，且更均勻的分散在有機(jī)相內(nèi)?？梢钥吹?，銹蝕產(chǎn)物顆粒的微觀結(jié)構(gòu)明顯改變，已經(jīng)很難看到鐵氧化物的特征結(jié)晶結(jié)構(gòu)，銹蝕產(chǎn)物已經(jīng)大部分被轉(zhuǎn)化為絡(luò)合物。另外，可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物層與Q235鋼基體的界面結(jié)合效果更好。

圖2 不同磷酸含量涂層的轉(zhuǎn)化效果截面微觀形貌圖

3.2 酸含量復(fù)合防腐涂層附著力的影響

選擇美國APP公司生產(chǎn)的D號(hào)帶銹涂料，將該種涂料與本實(shí)驗(yàn)中的銹轉(zhuǎn)化復(fù)合防腐涂層做性能對比分析。圖3為三種環(huán)氧-磷酸酯型銹轉(zhuǎn)化防腐涂層和APP公司的D型帶銹涂料的附著力測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)采用美國Delelsko公司生產(chǎn)的PositestAT-A全自動(dòng)拉拔型附著力測試儀，參照ASTM D4541-02進(jìn)行。此標(biāo)準(zhǔn)中的拉開法屬于剝離實(shí)驗(yàn)法，其所測定的是膜層被剝離所需要的功或在垂直方向上將膜層拉開一定面積所需的力。

圖3 不同銹轉(zhuǎn)化復(fù)合防腐涂層附著力測試結(jié)果（E44：H3PO4摩爾比）

E44∶H3PO4摩爾比為1∶3組的平均附著力值表現(xiàn)較佳為3.4MPa，E44∶H3PO4摩爾比為1∶2組平均附著力只有2.4MPa。E44∶H3PO4摩爾比為1∶4組和App公司D號(hào)組分別為2.8MPa和2.7MPa。結(jié)合附著力測試斷面形貌圖及銹轉(zhuǎn)化層截面微觀形貌，磷酸含量較低時(shí)，局部區(qū)域有銹蝕產(chǎn)物殘留在基體表面，這與銹蝕層截面分析中該組銹轉(zhuǎn)化不完全的結(jié)果相符。H3PO4含量較高的一組斷面處明顯可見銹轉(zhuǎn)化形成的絡(luò)合產(chǎn)物層，轉(zhuǎn)化層分層分布且轉(zhuǎn)化層中存在大量裂縫，裂縫的存在使得轉(zhuǎn)化層的強(qiáng)度較差，容易在附著力測試過程中發(fā)生斷裂，造成銹轉(zhuǎn)化涂層附著力差的結(jié)果。

4 結(jié)語

（1）實(shí)驗(yàn)制備了不同摩爾比的環(huán)氧-磷酸酯型銹轉(zhuǎn)化液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)氧磷-酸酯型轉(zhuǎn)化液對鹽霧條件下Q235鋼3h銹蝕產(chǎn)物具有轉(zhuǎn)化效果，且轉(zhuǎn)化液中磷酸含量越多，對銹蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng)，但當(dāng)E44∶H3PO4的摩爾比大于1∶4時(shí)，反應(yīng)過于劇烈；

（2）E44∶H3PO4的摩爾比為1∶3和1∶4時(shí)銹轉(zhuǎn)化液轉(zhuǎn)化效果較好，且形成的轉(zhuǎn)化層對基體的附著性較好，其中摩爾比為1∶3時(shí)，轉(zhuǎn)化層較完整，與環(huán)氧樹脂清漆相容性也較好；摩爾比為1∶4時(shí)，轉(zhuǎn)化層出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致涂層附著力下降。