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                          鋼鐵腐蝕因素分析及不同防腐底漆的性能比較

                          發布者: 發布時間:2015/7/23 14:49:08 閱讀:次 【字體:

                          摘要:對影響鋼鐵腐蝕的主要條件及其影響因素進行了分析,簡述了防腐涂料的作用原理,重點對幾種富鋅底漆的性能進行了試驗比較及綜合分析。

                          關鍵詞:腐蝕;防腐蝕;富鋅底漆

                          0引言

                          金屬的腐蝕問題普遍存在于地球的各個角落,它一直是困擾人類社會發展的一大公害。一座橋梁、一幢大廈、一艘萬噸輪,建造費用都超過億元。 我們希望它的使用壽命能過百年,越長越好。但是,由于腐蝕環境的苛刻、防腐措施的不得力,往往未達到預期的使用壽命,就需要進行維修,甚至失去 了使用功能。全球每年因腐蝕問題造成的損失高達數百億美元。2005年我國的鋼產量突破3.4億萬 t ,躍居世界首位。中國 GDP 連續十年增長率在 8 %以上,國民經濟持續發展,海、陸、空交通運輸、橋梁、車輛、機械設備、石油化工、奧運工程、城市建設 等諸多領域,都離不開金屬材料。開展對金屬材料 的腐蝕與防護的試驗研究十分重要。

                          1鋼鐵腐蝕的條件及影響因素分析

                          1.1腐蝕條件

                          金屬的腐蝕與防護研究,主要是針對鋼鐵材料,因為鋼產量和消耗量均占全部金屬的 90%以上。在自然環境下,鋼鐵的腐蝕主要來自于水、空氣(氧)、電解質(鹽、堿)、海水、酸雨等自然界的侵害。特殊環境下的腐蝕問題,大部分因人類的生 產活劫所造成,例如:化工、制藥生產過程中產生 的酸、堿、鹽等強腐蝕性介質的腐蝕問題。后者不在本文贅述。

                          1.2腐蝕原理

                          由于電極電位的不同,金屬發生電化學反應時,電極電位較低的部位容易失去電子,形成陽極(即:金屬被腐蝕);電極電位較高的部位得到電子,成為陰極。

                          電化學反應式:

                          在氧和水的存在下,Fe(OH)2生成水合氧化 鐵,即鐵銹:

                          鐵銹是一種疏松的物質,浮在鋼鐵表面,它沒有保護作用,金屬的陽極化反應可繼續進行。

                          1.3影響鋼鐵腐蝕的因素分析

                          1.3.1在大氣環境下鋼鐵腐蝕因素分析

                          大氣環境下的腐蝕主要表現為銹蝕。影響銹蝕速度的因素有:環境的溫度、濕度、大氣中的酸性污染物濃度、電解質微粒漂浮物等。

                          濕度的影響:金屬發生電化學反應與氧和水的作用關系甚大。在大氣環境中,受空氣相對濕度的影響,當空氣中相對濕度超過60%以上時,鋼鐵的腐蝕速率呈指數曲線上升?諝庀鄬穸鹊陀50%,腐蝕速率極低。

                          在防腐涂料的施工中,一定要注意被涂鋼結構的表面溫度必須高出環境的露點溫度3℃以上。否則,會在鋼材表面產生冷凝水。因為涂料在成膜過程中,溶劑揮發吸收熱量,使鋼鐵表面溫度下降,接近露點溫度,水汽開始冷凝。此時涂漆肯定要影 響油漆與基材之間的結合,涂層結合不牢,甚至部 分脫落,使水、氣容易穿過涂層,腐蝕到底層金屬。因此,在南方梅雨季節施工時,可采取局部環境除 濕措施,降低露點溫度,使涂裝質量得到保障。

                          溫度的影響:溫度與濕度相互間的協同效應,影響鋼鐵的腐蝕速率,在高溫高濕環境下,金屬的 電化學反應加速,使鋼鐵的腐蝕加快。另外,環境溫度升高,使空氣中飽和蒸氣的含水率大大增加,一旦溫度降低,馬上形成冷凝水。例如:夏季白天高溫,水汽蒸發量很大,當相對濕度超過60%,夜幕降臨后,氣溫下降,清晨會發現金屬表面有結露現象。對此如不采取處理措施,就進行涂漆,肯定影響附著力和防腐性。

                          電解質的影響:如所處環境空氣中含有較多 的鹽、堿類電解質污染物,就會提高冷凝露水的導電率,增大鋼鐵的腐蝕速度。在對鋼材表面進行除油、除銹處理過程中,有時潔凈水沖洗不徹底,微量電解質殘留在鋼材表面,也是影響防腐性的一種 隱患?傊,電解質加上水和氧,就會促進電化學 腐蝕反應的發生。

                          酸性氣體的影響:在某些地理環境,受地質條件、工業污染等影響導致大氣中酸性氣體濃度較高,例如:二氧化硫、二氧化碳、一氧化氮、氯化氫等,容易形成酸雨腐蝕,或使冷凝水的pH值偏 酸性,容易將氫氧化鐵溶解,使腐蝕加劇。

                          1.3.2在海洋環境下鋼鐵的腐蝕因素分析

                          在海洋環境中,空氣中的鹽霧、水分、海水中 電解質濃度、含氧量、微生物,以及海浪、砂石的沖刷作用,對防腐涂層和鋼結構都有不同程度的破壞和腐蝕。我國東海海域淺海區海水水質基本情況。

                          從以上水質情況分析,此海域海水的含鹽量、容氧量、有機質濃度都比較高,電阻率較低。這些 數據說明海水為鋼鐵的腐蝕提供了良好的條件。以下就幾個主要因素進行分析。

                          含鹽量、Na 濃度、電阻率:這些都會導致海 水的導電性增大,腐蝕加速。

                          溶氧量:溶氧量越大,鐵銹生成越快、越多,加速了陽極的腐蝕。特別是橋梁和海上鉆井平臺的飛濺區,海水的含氧量更高,腐蝕更嚴重。

                          pH值:不同海域水質的pH值也有差異,pH值越低的海域,越有利于鐵銹的溶解,這將加速電化學反應,腐蝕嚴重。

                          潮差區和飛濺區:由于海浪和砂石對這些部位的反復沖擊、沖刷、磨損,干濕交替,海水侵蝕,高濃度鹽霧等惡劣條件,對鋼結構的腐蝕更為嚴酷。海平面以上,暴露在大氣中的部位:通常在海平面以上,8m以下的空間,大氣中的鹽霧濃度最高,氯離子濃度也高。氯離子是一種穿透力極強的腐蝕介質,接觸到鋼鐵表面,便迅速破壞鋼鐵表面的鈍化層,先形成一個小陽極,金屬鐵溶解,形成一個腐蝕坑,亦稱為點腐蝕。鹽霧濃度越高,冷凝后的電阻率越低,導電性增大,加速電化學腐蝕。

                          近年,我國正在建造和準備建造的跨海大橋有:杭州灣跨海大橋、上海長興島至崇明島的長江 跨海大橋、舟山群島跨海大橋、青島海上大橋、大 連旅順口至煙臺的煙大鐵路輪渡等。這些都是大型的海上鋼結構工程。海洋環境十分嚴酷,對大型橋梁主體結構的設計使用年限大都要求在100年以上,配套防腐涂料的使用壽命也不低于25年。因 此,如何科學地、合理地、正確地設計、選擇長效型鋼結構配套防腐涂料,需要經過慎重考慮和反復論證,才能作出決定。

                          2防腐涂料的作用及富鋅底漆的防腐蝕機理

                          2.1 防腐涂料的作用

                          防腐涂料在金屬表面成膜后,通過以下作用來防止金屬腐蝕:屏蔽作用,隔離水、氧、電解質直 接與金屬接觸;緩蝕作用,涂層中釋放出緩蝕離子,延緩鋼鐵腐蝕;陰極保護作用,涂料中含有高PVC的鋅粉,類似于電鍍鋅的作用,作為犧牲陽極,鋼材成為陰極,得到保護,從而延長了鋼鐵的使用壽命。采用有機或無機富鋅涂料噴涂在金屬表面,起到防銹耐腐蝕的作用,是一種普遍采用的最有效方法之一。

                          涂料的防腐一般通過底漆、中涂漆、面漆的協同作用來完成,涂裝一定的膜厚,來達到要求的防 腐年限。對于鋼結構防腐蝕涂料配套體系的設計及品種選擇,可參考ISO12944((色漆和清漆——鋼結構防腐蝕涂料系統保護》中的有關內容。

                          底漆在涂料涂裝配套中賦予涂層良好的耐腐 蝕性能。富鋅底漆作為長效型鋼結構重防腐涂料涂裝配套體系的底漆,相比其它品種底漆具有防腐性 能強,耐熱性優良,附著力好,耐候性好,不影響焊接施工等優點。因此,富鋅底漆已成為船舶、橋梁、海上鉆井平臺、碼頭、管道、貯罐等重防腐涂料領 域中的主要配套底漆品種。

                          2.2富鋅底漆的防腐機理

                          富鋅底漆的防腐機理是基于金屬鋅對鋼鐵的陰 極保護作用。因為金屬鋅的電化學活性(其標準電極電位為-0.4V)比鐵(-0.76V)活潑,所以當水分入侵涂層時,在陽極區鋅由于失去電子而被腐蝕掉,在陰極區的鋼板表面不斷得到電子,從而受到保護。同時,鋅作為犧牲陽極形成的氧化物還可以對涂層起到一種封閉作用,加強了對涂層的保護。富鋅底漆的電化學反應方程式如下:

                          為確保富鋅底漆中的鋅粉能與鋼鐵緊密結合 而起到導電和犧牲陽極的作用,對于富鋅底漆中鋅 粉含量占干膜總質量的百分比,美國鋼結構涂裝協會(SSPC)SSPCpaint-20中有明確的規定:1級,鋅粉含量≥85%;2級,77%≤鋅粉含量≤85%;3級,65%≤鋅粉含量≤77%。

                          3 幾種富鋅底漆的性能比較

                          3.1 富鋅底漆的類型

                          根據成膜物的不同,富鋅底漆一般分為有機富鋅底漆(以環氧富鋅為主)和無機富鋅底漆兩大類。

                          幾種富鋅底漆的主要組成成分見表2。

                          3.2 富鋅底漆的性能比較

                          我們對國內外幾種富鋅底漆進行了性能測試,并 分別對其物理性能、防腐性能、施工性能進行了比較,結果見表3~表5。

                          3.3 底漆的性能評價及綜合分析

                          3.3.1 幾種富鋅底漆的特點

                          在富鋅底漆中,鋅陰極保護作用的充分發揮除了依賴于鋅自身的高負電位外,涂層良好的導電性 也起到至關重要的作用。而有機富鋅底漆形成的有 機涂層電阻大、鋅含量低于無機富鋅底漆(綜合考慮陰極效益及涂層附著力,有機富鋅底漆的涂層干膜鋅含量臨界值為 70%)致使鋅陰極保護作用相對弱一些,耐腐蝕性能較無機富鋅底漆略差。

                          無機富鋅底漆的防腐作用,在水和氧的存在下,金屬鋅發生陽極反應,生成的腐蝕產物隨著腐蝕介質的不同而異,有氧化鋅、氫氧化鋅、堿式碳酸鋅、堿式氯化鋅、氧化氯化鋅等。這些生成物結構致密,是微水溶性穩定的化合物,沉積在鋅層表面,形成鈍化的屏蔽層,阻止了水、氧、鹽的滲透,使下層 鋅的電化學反應速度減弱,腐蝕速率下降。

                          如果無機富鋅底漆一次噴涂太厚,漆膜會產生龜裂問題。大多數無機富鋅底漆推薦膜厚為50~100μm,如果超過120μm,就可能發生龜裂。試驗中發現,通過加人少量磷鐵粉可以大大降低涂層龜裂的趨勢。

                          (1)環氧富鋅底漆。

                          環氧富鋅底漆采用胺類固化劑,胺可與鋼鐵表面上的氧化物形成氫鍵,提高涂料的濕附著力和干膜附著力。環氧富鋅底漆的機械強度高,漆膜堅固,屏蔽效果好。

                          (2)醇溶性無機富鋅底漆。

                          醇溶性無機富鋅底漆是目前國內長效重防腐 配套體系中應用最多的底漆。它主要是以正硅酸乙 酯的水解低聚物為成膜物,為改進漆膜的附著力,減少脆性,拼人少量極性相近抗皂化的聚乙烯醇縮丁醛樹脂。

                          (3)水性無機富鋅底漆。

                          水性無機富鋅底漆具有優越的性價比以及環保的優勢。

                          水性無機富鋅底漆主要由鋅粉和聚硅酸堿金屬鹽組成,成膜后形成網狀高分子聚硅酸鋅鹽絡合物。由于水的表面張力大,濕膜不容易在鋼表面鋪展,特別是邊角部位,容易產生縮邊,濕附著力差,甚至發生起皮、剝落現象。因此,在水性無機富鋅底漆涂裝過程中,對涂漆前的鋼結構表面預處理非常重要,必須徹底除油、噴砂一定要達到Sa2.5級,粗糙度達到 40~70μm。增加表面粗糙度,可改善附著力。

                          (4)無機磷酸鹽富鋅底漆。

                          它是由磷酸鹽、聚硅酸和鋅粉等主要成分組成的一種新型富鋅底漆。它的防腐蝕機理,除了鋅粉 的陰極保護作用以外,磷酸鋅能夠和Fe3+形成附著 牢固的絡合物Fe3+[Zn(PO4)3] 沉淀層而抑制陽極反應,同時能與樹脂中的羥基、羧基絡合,使顏料一樹脂一底材之問形成化學結合而提高涂層的附著力和抗滲性。

                          3.3.2對幾種富鋅底漆性能的綜合分析

                          (1)鹽霧試驗結果表明:無機磷酸鹽富鋅底漆的防腐效果最好;醇溶性無機富鋅底漆和水性無機富鋅底漆次之;環氧富鋅底漆第三?傊,在防止電化學腐蝕方面,無機富鋅底漆要比有機富鋅底漆更好。因此,有機富鋅底漆比較適用于大氣環 境下的鋼結構防腐蝕;無機富鋅底漆更適合于海洋環境下的鋼結構防腐蝕。

                          (2)無機富鋅底漆對鋼材表面的前處理要求較高,否則會影響涂層的附著力。另外,都需要加涂1道封閉漆。

                          (3)環氧富鋅底漆的粘結性、附著力、機械強度、屏蔽性,以及與其它涂料品種的配套性要比無機富鋅底漆強。

                          (4)無機磷酸鹽富鋅底漆的硬度較低,機械強度差,涂膜容易損壞,因而硬度需要改進提高。

                          (5)從環保角度考慮,水性無機富鋅底漆是未來的發展方向,值得下工夫研究。

                          富鋅底漆在防腐涂料配套中是非常重要的一部分,但是,要達到長效防腐,還需要選擇優秀的中間漆(例如:環氧云母氧化鐵中間漆)和耐候性好的面漆;涂層的總厚度也很重要,一般防腐要求15年以上,干膜總厚度應在200μm以上。

                          鋼結構防腐是一項涉及多學科、多領域的復 雜系統工程,首先,根據使用環境條件,設計選 擇合理的防腐涂料配套品種和各涂層的厚度,制訂出涂裝工藝及質量控制標準;其次,在施工階段,精心組織、嚴格按工藝要求進行施工,按質量 標準嚴格控制各個工序的施工質量;第三,施工監理、現場技服人員,密切配合施工方跟蹤指導、檢查、監督涂裝質量,及時發現問題,進行返工處理。特別是大型工程,關系到百年大計,更來不得半點馬虎。

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