0  引言

    鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的機(jī)械加工性能，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，但是鋼鐵暴露在大氣中極易發(fā)生腐蝕，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能和使用周期。因此，對(duì)于防止鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的技術(shù)研究具有重大意義。傳統(tǒng)的達(dá)克羅涂層是一種高防腐蝕性能的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，因其具有無(wú)氫脆，良好的耐候性，超強(qiáng)的耐蝕性、耐熱腐蝕性能而被廣泛使用。達(dá)克羅涂層中最主要的原料是鉻酐，由于鈍化、粘結(jié)的需要，涂液中含有約2% ~ 5%的六價(jià)鉻離子（Cr6+），造成嚴(yán)重的大氣污染并危害人體健康。近年來(lái)，隨著國(guó)家環(huán)保力度的加大，達(dá)克羅涂層的應(yīng)用前景越來(lái)越窄，未來(lái)具有綠色環(huán)保型的水性無(wú)鉻鋅鋁涂層必將取代有機(jī)溶劑型的達(dá)克羅涂層。

    本試驗(yàn)以高模數(shù)硅酸鉀溶液代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉻酐粘結(jié)劑，實(shí)現(xiàn)無(wú)鉻粘結(jié)，著重研究了硅烷偶聯(lián)劑種類和用量對(duì)顏料鋁粉包覆改性前后表面分析及緩蝕劑濃度對(duì)制備的鋅鋁涂層耐腐蝕性能的影響。

    1  試驗(yàn)部分

    1.1  原料與儀器

    高模數(shù)硅酸鉀溶液：工業(yè)級(jí)，湖北鐵神化工有限公司；鱗片狀鋅粉（15~ 20μm）：分析純，江蘇科成有色金屬新材料有限公司；鱗片狀鋁粉（15~ 20μm）：分析純，章丘市黃河銀粉漿廠；磷鉬酸鈉（Na3PO4·12MOO4）：分析純，天津市盛鑫偉業(yè)貿(mào)易有限公司；硅烷偶聯(lián)劑（KH-550、KH-560、KH-570）：分析純，濟(jì)南金輝化工有限公司；硅烷偶聯(lián)劑（WD-60）：分析純，湖北武大有機(jī)硅新材料股份有限公司；甲醇、無(wú)水乙醇：分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

    GS28-B電子恒速攪拌器：上海安亭電子儀器廠；DF-101S智能集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：上海東璽制冷儀器設(shè)備有限公司；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵：武漢科爾儀器設(shè)備有限公司；DHG-9123A型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏試驗(yàn)設(shè)備有限公司；JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡、X射線能譜分析儀（EDS）：金壇文華科教試驗(yàn)儀器廠；電化學(xué)工作站：美國(guó)AMETEK公司。

    1.2  水性無(wú)鉻鋅鋁涂料的制備

    1.2.1  包覆改性鋁粉的制備

    （1）表面洗滌：稱取定量片狀鋁粉置于250mL燒杯中，加入無(wú)水乙醇充分?jǐn)嚢瑁^(guò)濾烘干，以脫除顏料表面殘留的有機(jī)溶劑，待用。

    （2）硅烷水解：將硅烷、去離子水、醇（乙氧基硅烷KH-550選擇乙醇水解，甲氧基硅烷KH-560、KH-570、WD-60選擇甲醇水解）按一定質(zhì)量比均勻混合，水浴恒溫加熱至40℃，靜置水解5 ~ 10 min。

    （3）包覆改性：稱取2g洗滌后的片狀顏料鋁粉，加入至硅烷水解液中，常溫?cái)嚢?.5~ 1.0 h，用無(wú)水乙醇洗滌過(guò)濾，放入80℃烘箱烘干，即制得包覆改性處理后的鋁粉顏料。

    1.2.2  水性無(wú)鉻鋅鋁涂料的制備

    （1）稱取一定質(zhì)量的顏料金屬粉，使Zn∶Al（改性后）質(zhì)量比4∶1，混合均勻。

    （2）將上述金屬混合粉緩慢加入高模數(shù)硅酸鉀溶液中，并加入適量消泡劑等助劑，使得硅酸鉀溶液與金屬混合粉質(zhì)量比為1.0∶2.5，充分機(jī)械攪拌1h，轉(zhuǎn)速500 r/min。

    （3）添加一定濃度梯度的緩蝕劑，繼續(xù)攪拌1 h，制得水性無(wú)鉻鋅鋁涂料。

    1.3  涂層制備

    基材表面處理：砂紙打磨→堿性除油→烘干→乙醇清洗。

    將制得的水性無(wú)鉻鋅鋁涂料均勻刷涂于經(jīng)過(guò)表面處理的Q235鋼基上，采用兩涂?jī)珊孢M(jìn)行涂覆：80℃預(yù)烘20 min，280℃烘烤40min。

    1.4  測(cè)試與表征

    使用JSM-6510LV型掃描電鏡（SEM）和X射線能譜分析儀（EDS）對(duì)改性鋁粉進(jìn)行表面外觀形貌和表面元素分析。

    采用劃格法附著力儀，按照GB/T 9286—1998測(cè)定涂膜附著力；根據(jù)GB/T6739—2006測(cè)定涂膜的鉛筆硬度；根據(jù)GB/T 1731—1993測(cè)定涂膜的柔韌性；按照GB/T1732—1993測(cè)試涂層沖擊強(qiáng)度。

    采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）評(píng)價(jià)水性無(wú)鉻鋅鋁涂層的耐腐蝕性能，測(cè)量頻率范圍為105~ 10-2Hz，測(cè)量信號(hào)為振幅10mV交流正弦波，以鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，鋅鋁涂層鐵板為工作電極，電解質(zhì)溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的氯化鈉溶液。

    2  結(jié)果與討論

    2.1 硅烷偶聯(lián)劑種類和用量對(duì)改性鋁粉性能的影響

    不同種類的硅烷偶聯(lián)劑改性處理顏料鋁粉試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象如表1和圖1所示。

    由圖1和表1可以看出，未改性的顏料鋁粉具有疏水性，無(wú)法分散在水性體系中，全部漂浮于水面；相比其他三種硅烷偶聯(lián)劑，而經(jīng)WD-60表面改性后的顏料鋁粉，能大部分懸浮在水性體系中，親水性較好，光澤性略有降低但不明顯。本研究初步選用WD-60硅烷偶聯(lián)劑作為鋁粉顏料表面改性劑。

    硅烷偶聯(lián)劑用量對(duì)改性處理后鋁粉顏料性能的影響如表2所示。硅烷偶聯(lián)劑的用量以其在水解溶液中的濃度來(lái)表示。

    由表2可以看出，當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑含量較少時(shí)，顏料鋁粉部分漂浮于水面，因?yàn)閃D-60未能完全包覆于鋁粉表面形成致密親水性包覆膜層；當(dāng)WD-60含量較高時(shí)，鋁粉顏料發(fā)生部分沉淀，顏料光澤性明顯降低，因?yàn)轭伭媳砻孢^(guò)多的硅烷偶聯(lián)劑發(fā)生縮聚反應(yīng)導(dǎo)致團(tuán)聚下沉。試驗(yàn)現(xiàn)象表明：經(jīng)用量為5%的WD-60硅烷偶聯(lián)劑包覆改性后的顏料鋁粉在水性體系中分散穩(wěn)定性明顯提高，顏料外觀基本沒有發(fā)生變化。

    2.2  片狀鋁粉的表面分析與表征

    2.2.1  掃描電鏡（SEM）分析

    通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)表面改性前后的片狀鋁粉顏料進(jìn)行微觀形貌表征，如圖2所示。

    由圖2可以看出，（a）為改性前的片狀鋁粉顏料，顏料表面較為光滑，外觀呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則且大小不一的鱗片形。（b）為經(jīng)5%WD-60硅烷偶聯(lián)劑包覆改性后的片狀鋁粉，與改性前的片狀鋁粉相比，顏料表面光滑度下降，鱗片表面有部分固態(tài)顆粒物且鋁粉顏料邊緣較為模糊。此結(jié)果表明：經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性后的顏料鋁粉表面形成了包覆膜層，實(shí)現(xiàn)了對(duì)片狀鋁粉的包覆改性。

    2.2.2  EDS能譜分析

    通過(guò)X射線能譜儀對(duì)包覆改性后的片狀鋁粉顏料表面元素進(jìn)行分析，如圖3和表3所示。

    由圖3和表3可以看出，經(jīng)WD-60改性后的鋁粉表面出現(xiàn)了硅元素的峰，說(shuō)明在片狀鋁粉表面含有硅元素，表明包覆改性后的鋁粉表面確實(shí)包覆了一層有機(jī)硅烷膜。

    2.3  涂液中緩蝕劑濃度對(duì)涂層力學(xué)性能的影響

    考察涂液中磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度對(duì)制備的鋅鋁涂層力學(xué)性能的影響，如表4所示。

    由表4可以看出，涂液中磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度對(duì)涂層的鉛筆硬度和附著力無(wú)明顯影響；但隨著濃度的增大，涂層的機(jī)械強(qiáng)度急劇下降。這可能是因?yàn)榱足f酸鈉的加入使顏料發(fā)生團(tuán)聚，破壞了涂層的完整性。試驗(yàn)表明當(dāng)涂液中磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度為0.5%~ 1.0%時(shí)，所得涂層的綜合性能最好。

    2.4  涂液中緩蝕劑濃度對(duì)涂層耐腐蝕性能的影響

    分別將添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.5%、1.0%、1.5%、2%的磷鉬酸鈉緩蝕劑的鋅鋁涂層放置于3.5%氯化鈉溶液中，觀察5種樣品的Nyquist圖譜，結(jié)果如圖4所示。

    由圖4可以看出，當(dāng)添加不同濃度梯度磷鉬酸鈉緩蝕劑后，各組涂層試樣的容抗弧半徑發(fā)生了不同程度的變化，但均大于空白組容抗弧半徑，并且隨著涂液中緩蝕劑濃度的增加，容抗弧半徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)添加磷鉬酸鈉緩蝕劑濃度為1%時(shí)，其容抗弧半徑最大，表明該濃度段緩蝕劑緩蝕效率最高，耐腐蝕性最好。

    3  結(jié)語(yǔ)

    1）經(jīng)5%WD-60硅烷偶聯(lián)劑改性處理后的顏料鋁粉，其表面形成了親水性包覆膜層，在水性體系中分散穩(wěn)定性較好，實(shí)現(xiàn)了對(duì)片狀顏料鋁粉的包覆改性。

    2）以高模數(shù)硅酸鉀代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉻酐粘結(jié)劑，鋅粉：鋁粉（改性后）質(zhì)量比4∶1作為混合顏料，使得硅酸鉀溶液與金屬混合粉質(zhì)量比為1.0∶：2.5，同時(shí)添加質(zhì)量濃度為1%的磷鉬酸鈉緩蝕劑，以此制備的水性鋅鋁涂層，耐腐蝕性能明顯提高。

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責(zé)任編輯：王元

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