高壓電力設備由于常年暴曬在戶外環境中，因此需要涂裝相應的防腐蝕涂料進行保護。涂料大多是有機高分子聚合物，形成涂層后是一種絕緣體材料，在高壓強直流電場作用下會產生較強的靜電場。靜電荷若是在絕緣材料上大量積聚，會導致電力設備無法使用。為此，抗靜電涂料應運而生。一般表面電阻率在106~109 Ω·cm-2之間、體積電阻率在105~108 Ω·cm之間的涂料稱為抗靜電涂料,可快速傳導電流，消除靜電荷。所以，高壓電力設備表面涂層要求不僅具有良好的耐腐蝕性，還必須具有一定的抗靜電性。

    近年來，防腐蝕涂料的研究十分迅速，在傳統的防腐蝕涂料的基礎上，研究出了眾多性能優異的品種[6]。但目前，最常用仍是富鋅涂料,它是以球型鋅粉為防銹顏料，環氧樹脂為基料，聚酰胺樹脂或胺加成物為固化劑，加以適當的混合溶劑配制而成的環氧類防腐蝕涂料，是重防腐涂料中的一種，以其優異的防腐性能得到廣泛應用[9],為確保其防腐蝕性能，其中鋅粉含量通常要達到85%以上。如此高的鋅粉含量也帶來一些問題,比如在有其涂層的結構件上進行電焊、切割等熱加工作業時會釋放出大量的氧化鋅物質，容易導致工作人員產生“鋅熱病”。

    含鋅粉涂料的防腐蝕機理是陰極保護和屏蔽作用，所以對富鋅漆耐蝕性的評價，必須考慮陰極保護性能。評價富鋅漆陰極保護性能常用的方法有劃痕鹽霧實驗和電化學阻抗法。有研究表明，環氧富鋅底漆中只有25%~30%的鋅粉在陰極保護中起作用。因為它的導電性能相對較低，陰極保護作用相對較弱，可接受的氯化物含量較低等，這是它用于腐蝕環境最大的缺點。為了提高其陰極保護作用，不少研究學者采用其他物質代替涂料中的部分鋅粉。本文根據電力設備的實際防護要求，通過添加鋅粉和不同量的導電云母填料制備抗靜電防腐蝕涂料，涂料固化后形成的涂層具有良好的抗靜電性，并通過鹽霧和電化學實驗驗證其耐腐蝕性。

    1 實驗方法

    組分A配方采用環氧樹脂15%~30%、溶劑5%~10%、分散劑0.3%~1%、防沉劑0.5%~2%、鋅粉50%~85%、其他填料3%~5%、導電云母粉0~5%;組分B為環氧固化劑；組分A:組分B （質量比） =13:1。首先將環氧樹脂和溶劑混合，在攪拌的條件下加入分散劑和防沉劑，待攪拌均勻依次加入鋅粉、填料和導電云母粉，高速攪拌一定時間，并補充揮發損失的溶劑，得到涂料組分A。

    實驗用規格為150 mm×75 mm的Q235鋼為基體，先用丙酮除油，噴砂以清除表面的銹層、氧化皮。噴砂后4 h內采用空氣噴涂方式制備涂層，噴涂時，組分A和組分B按比例混合，加稀釋劑調到適合的粘度。噴涂后，室溫下放置7 d使涂層固化，涂層厚度 （100±10） μm。按導電云母添加量的不同，將涂層命名為CMP0、CMP1、CMP3和CMP5。

    按國家標準GB/T 6739-2006測試涂層的鉛筆硬度；GB/T 1732-1993測試涂層的耐沖擊性；GB 9286-1998測試涂層的附著力；GB/T 1731-1993測試涂層的柔韌性；GB/T 9754-2007測試涂層的光澤；采用美國ACL-800表面電阻測試儀測試涂層表面電阻率和體積電阻率。

    按國家標準GB/T 1771-2007色漆和清漆耐中性鹽霧的測定進行劃痕鹽霧實驗，采用連續噴霧的方式，實驗溶液為5%NaCl （質量分數） 溶液，實驗溫度為 （35±2） ℃，并沿原樣板預制一條劃痕。

    電化學阻抗譜 （EIS） 測試采用273A電化學阻抗測試系統，在開路電位下進行測量，測量頻率范圍為105~10-2 Hz,測量信號為幅值10 mV的正弦波，電解池采用三電極測試體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極 （SCE），涂層/基體試樣為工作電極，工作電極的有效面積約為12.56 cm2,腐蝕介質為3.5% （質量分數） NaCl溶液，實驗所得到的交流阻抗數據用ZSimpWin阻抗分析軟件進行處理與分析。

    采用ESEM XL30 FEG環境掃描電鏡 （ESEM） 觀察涂層的表面形貌，試樣表面經過噴金處理，工作電壓為10 kV;采用ESEM所攜帶的附件EDS來分析涂層中元素的種類和含量；采用DMAX/2400X射線衍射儀 （XRD,Rigaku Denki） 分析涂料物相，以CuKα為放射源 （40 kV,100 mA）。

    2 結果與討論

    2.1 導電云母的SEM微觀形貌和成分分析

    圖1為導電云母粉的SEM微觀形貌和XRD圖。可以看出，導電云母粉為大小、形狀不規則的鱗片狀結構，外觀一般呈灰白色或淺灰色粉末，導電云母粉體主要是由云母粉 （KAl3Si3O11） 和人工合成的石英氧化硅 （SiO2） 兩種物質組成。

    2.2 涂層的常規性能

    表1是4種涂層的力學性能，可以看出，4種涂層的鉛筆硬度均為2H,柔韌性均為1 mm,耐沖擊性均為50 cm。隨著導電云母含量的增加，涂層的光澤逐漸降低，柔韌性、耐沖擊性都沒有明顯降低。隨著導電云母含量的增大，CMP5試樣涂層與基體的附著力變差，原因是片狀的導電云母含量為5%時，涂層的流平性受到影響，流平性不好引起涂料與基體不能很好的潤濕，導致附著力變差。

    2.3 涂層的表面電阻和體積電阻

    表2是4種涂層的表面電阻率和體積電阻率，可以看出，4種涂層的表面電阻率都處于106~109 Ω·cm-2之間，體積電阻率都滿足105~108 Ω·cm,涂層都屬于抗靜電涂層范疇。

    2.4 涂層的耐鹽霧腐蝕性能

    圖2是4種涂層試樣鹽霧實驗2500 h后的表面形貌照片，從圖中可以看出，CMP0、CMP5兩種涂層試樣劃痕邊緣都有基體鋼的紅褐色腐蝕產物，說明未添加導電云母和導電云母含量為5%的涂層劃痕處陰極保護消失，CMP0涂層試樣未劃痕部位，鋅粉有腐蝕現象，形成的是白色的腐蝕產物；CMP5涂層試樣表面基體被腐蝕，腐蝕面積達50%。CMP1、CMP3試樣的涂層表面沒有起泡、銹蝕現象，涂層附著較好，劃痕處無起泡、無銹蝕現象，說明涂層仍具有保護作用。鹽霧實驗結果表明，在富鋅涂料中添加適量的導電云母可以延長其涂層陰極保護作用。

    鹽霧實驗2500 h后涂層的表面電阻率如圖3所示。可以看到，鹽霧實驗后，涂層表面電阻率和體積電阻率都稍有增大，但都滿足抗靜電涂層要求，涂層表面有腐蝕產物的形成，致使涂層的抗靜電性能有所下降。鹽霧實驗對涂層的抗靜電性能影響不大。

    圖4是4種涂層鹽霧實驗后沿劃痕處的截面形貌，從圖中可以看出，Zn粉在整個涂層中均勻分布，所有涂層內球型的鋅粉失去了原來的形貌，球形表面的鋅單質優先反應并向球心推進。鹽霧實驗2500 h后，CMP0試樣涂層內靠近表層部分的鋅粉已經腐蝕，涂層表面、涂層與基體界面處有腐蝕產物即銹層生成，經EDS分析腐蝕產物中有鐵元素，說明基體被腐蝕。CMP5試樣涂層內大部分鋅粉已經失去了原有的形貌，說明涂層內的鋅粉參加了反應。腐蝕產物中也檢測到Fe的存在，說明基體也被腐蝕了。CMP1和CMP3兩種試樣涂層表面、涂層與基體界面處均沒有檢測到Fe,說明基體沒有被腐蝕，這種現象也說明了這兩種涂層仍具有良好的陰極保護作用。

    2.5 涂層鹽水浸泡實驗

    圖5是4種涂層在3.5%鹽水浸泡500 h后表面形貌的數碼照片。從圖中可以看出，未添加導電云母的CMP0試樣表面出現白色銹蝕產物，白色銹點部位同時起泡，CMP5試樣表面出現較多的白色的銹蝕產物，浸泡邊緣出現基體的銹蝕產物，而CMP1和CMP3兩種試樣表面幾乎沒有銹點、起泡和基體銹蝕現象，說明這兩種涂層具有良好的保護作用，耐腐蝕性能較好，這與鹽霧實驗結果相吻合的。

    2.6 電化學開路電位分析

    圖6給出了4種涂層在3.5%NaCl溶液中浸泡648 h期間，涂層的腐蝕電位隨時間的變化。涂層的開路電位表現了涂層的電化學性質，涂層對基材陰極保護時間的長短可以通過涂層的腐蝕電位低于-860 mV （vs SCE） 的時間來衡量，時間越長，涂層對基材的保護越好。從圖中可以看出，CMP0試樣涂層在浸泡初期開路電位先從-750 mV下降到-1043 mV,之后上升到-89 mV趨于穩定，陰極保護作用消失；CMP1和CMP3這兩種試樣涂層開路電位從-650和-850 mV分別下降到-1060 mV和-1030 mV,之后上升到-930和-960 mV趨于穩定；CMP5試樣涂層開路電位在浸泡初期從-700 mV左右下降到-1010 mV左右，隨后又上升至-650 mV,之后一直大于-860 mV,陰極保護作用消失。CMP5試樣涂層在浸泡24 h后，涂層表面就出現黃褐色的銹蝕產物，說明腐蝕介質在浸泡初期很快就進入涂層，到達基材表面，引起了基材的腐蝕。

    圖7是4種涂層試樣隨浸泡時間的Bode圖。從圖中可以看出，這幾種涂層試樣的電化學行為依然遵循富鋅涂層的電化學特征。在浸泡0.5 h時，CMP0、CMP1和CMP3試樣涂層的Bode圖上阻值|Z |很大，這時由于涂層剛開始浸泡仍是硬而緊密的涂層，涂層中的Zn粉由于樹脂的包覆還沒有參加陰極保護反應。隨著浸泡時間的延長，腐蝕介質的不斷滲透，Zn粉被活化開始反應，富鋅涂層的陰極保護作用開始，各種涂層的阻值迅速減小。CMP1和CMP3兩種試樣涂層電阻值下降后維持在104 Ω·cm2左右，涂層Bode圖形基本不變。CMP0試樣涂層的Bode圖在浸泡48 h后，涂層電阻值上升，之后基本維持不變。CMP5試樣 （圖7d） 剛浸泡0.5 h時，Bode圖上顯示涂層在低頻的阻值在103 Ω·cm2,說明涂層有較多缺陷，腐蝕介質通過缺陷處，很快滲透進入涂層，浸泡5 h時，涂層阻值明顯降低，這時涂層中鋅粉的陽極反應的腐蝕產物堵塞了涂層表面的空隙，引起涂層阻值在浸泡24 h時提高，在浸泡48 h后，涂層的電阻值迅速減小，說明涂層陰極保護作用此時消失。

    2.7 電化學阻抗譜分析

    圖8是4種涂層在擬合過程中所采用的等效電路，不同含量導電云母改性的抗靜電涂層試樣的電化學行為依然遵循富鋅涂層的電化學特征。圖9是4種涂層電阻隨浸泡時間變化曲線，由圖可知，剛開始浸泡0.5 h時，CMP0、CMP1、CMP3試樣涂層的Rc都很高，RCMP0>RCMP1>RCMP3>RCMP5,涂層的電阻反映的是涂層的導電性，電阻越大，導電性越差，這與測得的涂層的表面電阻率值規律相同，此時，遵循圖8a R（QR）的等效電路圖。隨著浸泡時間的延長，涂層的Rc迅速下降。CMP0試樣在浸泡24 h后，涂層電阻開始上升，這是涂層中Zn粉開始反應，生成的腐蝕產物堵塞了涂層中的通道，陰極保護作用隨著浸泡時間的延長逐漸增強，生成的腐蝕產物屏蔽作用也逐漸增強，96 h后，陰極保護作用達到最大，之后涂層電阻又逐漸減小，說明涂層陰極保護作用減弱，480 h時，涂層屏蔽作用提供涂層的防腐蝕的能力，此時涂層陰極保護作用消失。CMP1、CMP3試樣涂層在浸泡期間涂層電阻逐漸減小后維持不變，涂層電阻無明顯變大，說明涂層具有一定的陰極保護作用，并一直維持涂層的防腐蝕的能力。CMP5試樣涂層浸泡0.5~196 h,涂層電阻呈上升趨勢，陰極保護和屏蔽作用在196 h達到最大，之后涂層電阻逐漸降低，屏蔽作用也逐漸減弱，直至基體腐蝕，涂層失效。

    2.8 涂層耐腐蝕機理分析

    從鹽霧實驗、浸泡實驗和電化學阻抗譜實驗總結導電云母添加到有機抗靜電涂層中，涂層的陰極保護作用和屏蔽作用為：在富鋅涂料中添加導電云母，鋅粉的使用量雖然大幅度降低，但涂層中均勻分散的導電云母可在涂料中形成片層和球形鋅粉填料復合的導電網狀結構，能夠更有效地利用鋅粉，提高鋅粉的陰極保護作用,加強了涂層對基材的保護。將導電云母加入抗靜電涂料中并充分分散后，導電云母均勻分布在環氧樹脂基體中，可以填充到球狀鋅粉之間的空隙中。因此，導電云母的加入可以明顯提高涂層的致密性和耐水性，有效防止水、氧氣等分子滲入到基體表面，降低涂層的鼓泡和腐蝕程度。導電云母的片層結構，使其在涂料中層層疊加，可形成致密的隔絕層。而涂層中均勻分散的導電云母片相互隨機堆疊，形成了致密的連續不斷的網狀片層導電結構，與鋅粉搭接形成導電通路，從而活化了涂料中的鋅粉，使涂層與鋼鐵基材形成了電化學回路體系，提高并延長了涂層的陰極保護作用。

    根據填料混合填充的聚合物復合材料的導電特性滲流理論，當導電顆粒的體積 （質量） 分數增加到某一臨界值時，導電高分子復合材料的電導率突然增加數個數量級，這一臨界值對應的填料含量為“滲流閾值”。當導電云母添加量接近3%時，表現為介電常數突然增大，涂層的導電性能增大了兩個數量級，導電云母的“滲流閾值”為3%。也就是說，3%的導電云母添加到環氧樹脂基體中，在保持環氧樹脂本身性能的前提下，大幅提高涂層的導電性能，含3%左右導電云母的涂料可能接近“滲流閾值”，涂層中均勻分散的導電云母片相互隨機堆疊，形成致密的連續不斷的片層和球形鋅粉填料復合的導電網狀結構，其介電性能和屏蔽性能最好，相應的防腐性能最佳。而當導電云母添加過量，導電云母會在內部聚集，破壞涂層結構，使其介電性能和屏蔽作用變差，導致涂層的陰極保護防腐性能有所降低。

    3 結論

    導電云母填料可以替代富鋅涂料中的部分鋅粉，制備不同含量導電云母的抗靜電防腐蝕涂層。隨著導電云母添加量的增加，涂層的表面電阻率和體積電阻率降低，抗靜電性增加。鹽霧實驗、浸泡實驗和電化學實驗結果表明，適量的導電云母片和球形鋅粉填料復合形成致密的、連續不斷的導電網狀結構，可以延長涂層陰極保護時間，提高涂層的耐蝕性，其最佳添加量為3%。鹽霧實驗對涂層的抗靜電性能影響不大。

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責任編輯：王元

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