镀锌钢构件涂层抗腐蚀性能试验及研究★

邵建军 王荣华 汪嘉伟 李奇昱 侯开儒 张大长

(1.盐城电力设计院有限公司，江苏 盐城 224002； 2.南京工业大学土木工程学院，江苏 南京 211816)

输电杆塔大都架设在空旷的野外，包括森林山区、沿海地区、污染严重的重工业区等。由于长期运行于户外露天环境，输电铁塔承受着不同程度的自然条件侵蚀，塔材腐蚀逐年加重，如图1所示。长期以来，为了防止腐蚀的发生，工程上采用多种技术对金属构件加以保护。其中，最直接有效且常用的方法就是在金属表面涂防腐涂料。防腐涂料隔绝了金属表面与腐蚀介质的接触，阻断了金属发生腐蚀的必要条件，从而达到延缓和阻止腐蚀的目的。水性聚氨酯是一种黏附性能、耐磨损性能、化学稳定性、耐寒性能优良的高分子材料[1-3]，最早由德国科学家研发而成；聚乙烯具有一定的耐腐蚀性能、耐水渗透性能，其生产效率高并且可以长期使用，已被广泛用作油气管道的外防腐涂层材料[4，5]。虽然聚氨酯与聚乙烯涂料在金属防腐方面具有一定的效果，但对于输电杆塔的镀锌构件防腐效果还有待研究。

本文对表面喷涂有氯磺化聚乙烯和聚氨酯的镀锌钢试块进行模拟海水腐蚀试验，并以涂层厚度为参数，研究其防腐效果及附着力随着腐蚀时间的变化规律从而探究氯磺化聚乙烯及水性聚氨酯涂层对于镀锌构件的防腐性能。

1 试验概况

1)试件设计。基体材料为镀锌钢试块，尺寸为50 mm×50 mm×4 mm。试验喷涂的防腐材料分别为水性聚氨酯与氯磺化聚乙烯，之后按照GB/T 1727—1992漆膜一般制备法将涂料均匀喷涂在钢板上，水性聚氨酯与氯磺化聚乙烯涂层的厚度分为薄(B)、中(H)、厚(T)，每种涂层厚度的试件数量均为6个，其中薄(B)为喷涂一次，中(H)为喷涂两次，厚(T)为喷涂3次。之后在浸泡试验规定时间期限(2 d/4 d/6 d)取一块进行划格试验，其余试件进行厚度的测量。涂层固化方法为：喷涂完后在室温下放置15 min～30 min，再置于60 ℃烘箱中固化24 h。涂料厚度采用千分尺进行测量并记录。为了后续试验各项指标的测定，将每个试件进行标号，B厚度聚氨酯涂层的试件标记为①～⑥；B厚度聚乙烯涂层的试件标记为1～6；H厚度聚氨酯涂层的试件标记为H①～H⑥；H厚度聚乙烯涂层的试件标记为H1～H6；T厚度聚氨酯涂层的试件标记为T①～T⑥；T厚度聚乙烯涂层的试件标记为T1～T6。采用电子千分尺对所有腐蚀前的试件进行试件初始厚度及刷涂聚乙烯/聚氨酯后的试件总厚度进行测量并记录，如表1所示。

表1 腐蚀前试件涂层厚度

2)腐蚀试验。根据GB 10124—1988金属材料试验室均匀腐蚀全浸试验方法[6]进行不同厚度聚乙烯/聚氨酯的镀锌钢实验室加速腐蚀试验，具体过程如下：配置35 g/L的氯化钠溶液，调节pH值为6.5～7.2之间，调节试验温度为(25±2) ℃，试验在耐腐蚀的塑料箱中进行。定期检查试板，同时注意不应损伤受试表面。在规定的试验周期结束时，从设备中取出试板，用清洁的温水冲洗以除去试板表面上的试验溶液残留物，而后立即把试板弄干并检查试板表面的损坏现象，如起泡、生锈等。

3)附着力试验。按照GB/T 9286—1998色漆和清漆漆膜的划格试验测试涂层的附着力，在样板上至少进行3个不同位置试验。具体过程如下：先将表面覆有涂层的镀锌试块固定在坚硬、平直的物面上，以防在试验过程中样板的任何变形，然后将刀具垂直于样板表面对切割道具均匀施力，用均匀的切割速率在涂层上划出规定的切割数。使用软毛刷清理后将胶带均匀完全粘附在划格上，5 min内呈60°用力平稳撕开，观察剥离网格数目，据此判断涂层的附着力等级。

2 试验结果及分析

2.1 腐蚀形貌及产物分析

在海水模拟液(3.5wt%NaCl)进行全浸试验2 d/4 d/6 d后的表面后聚乙烯涂层已经出现了点蚀现象，在全浸试验6 d后，未喷涂防腐涂层的镀锌钢试块锌层剥落明显，钢基体暴露(见图2)；B，H厚度聚乙烯涂层各试样均出现了一定程度的点蚀现象，如图2c)所示，而T厚度的聚乙烯涂层尚未出现点蚀。

对比发现，出现点蚀的聚乙烯涂层均匀性较差，可以初步推测当聚乙烯涂层较厚且较均匀时，具有一定的防腐性能。水性聚氨酯涂层耐腐蚀性较好，进行全浸试验6 d后，表面未出现点蚀现象，但涂层出现失光、发黄现象，如图2b)所示。

利用扫描电镜对腐蚀6 d后喷涂有两种涂层及没有涂层的镀锌钢试块表面的微观形貌进行观察，发现未腐蚀的镀锌钢表面光滑平整，镀层表面分布着许多微裂纹，腐蚀6 d后，镀锌钢锌层表面出现一些凸起结构，且出现了一些呈片状的腐蚀产物如图3a)所示，对图3中标注的腐蚀产物进行EDS元素成分分析，结果如表2所示。可知，片状的腐蚀产物由Zn，Cl，O元素组成，推测这种较为致密的腐蚀产物为Zn5(OH)8Cl2·H2O。同时还存在疏松多孔的腐蚀产物，对其进行EDS元素成分分析，发现其中Cl元素含量较低，腐蚀产物为Zn(OH)2。疏松多孔的腐蚀产物对钢基体的保护性很弱，腐蚀介质易从孔洞中传输，而致密的腐蚀产物可以有效阻止腐蚀性介质的传播，可以对钢基体起到一定的保护作用。

基于图2b)的腐蚀现象，腐蚀6 d后的水性聚氨酯涂层表面粗糙度没有太大的变化，没有明显的腐蚀产物的生成，说明水性聚氨酯涂层的防腐机理为物理屏蔽保护，具有较高的交联密度，涂层致密性好，可以有效地隔绝环境中腐蚀介质的深入。但腐蚀6 d后，水性聚氨酯涂层表面出现了一定的缺陷，原因是因为水性聚氨酯耐水性较差。

表2 腐蚀产物分析

由图2c)可以看出，腐蚀6 d后的氯磺化聚乙烯涂层表面出现点蚀，进行EDS元素成分分析发现腐蚀已经到达钢基体，涂层已经失效，甚至氯磺化聚乙烯涂层加速了镀锌钢的腐蚀进程。原因可能是涂层在涂装过程中造成的微观缺陷较多，导致涂层表面孔隙较多，水通过微观缺陷进入到镀锌钢表面，形成了一层水膜，同时可以发现孔蚀处的Cl离子含量为17.55%，说明微观缺陷加速了腐蚀介质渗透至镀锌钢表面，加速了腐蚀过程，导致涂层表面率先出现锈点。

2.2 腐蚀试验后涂层厚度变化

两种涂层在氯化钠溶液中经过6 d的腐蚀后，厚度均减小，图4所示为涂层厚度随着腐蚀天数变化的趋势，当两种涂层厚度较大时，厚度损失较慢，而当两种涂层厚度较小时，厚度损失较快；当氯磺化聚乙烯涂层出现点蚀时，钢基体已经开始腐蚀，涂层已经失效，但涂层厚度没有明显的变化。

其中，图4中CSM表示氯磺化聚乙烯涂层；WPU表示水性聚氨酯涂层；B表示薄；H表示中等厚度；T表示最厚。

图5为腐蚀6 d后氯磺化聚乙烯涂层附着力划痕试验。

2.3 涂层附着力测试结果

对于水性聚氨酯涂层，当水性聚氨酯涂层厚度为B厚度和H厚度时，全浸试验进行至2 d/4 d/6 d时，涂层沿切割边缘大碎片剥落，一些方格部分或全部出现脱落(见图6)，受影响的交叉切割面积大于35%，此时水性聚氨酯涂层与镀锌钢板的附着力等级为4级。当水性聚氨酯涂层为T厚度且涂层较均匀，全浸试验进行至6 d时，如图6c)所示，涂层切割边缘平滑，涂层与镀锌钢板的附着力等级为0级。采用式(1)来反映涂层附着力大小。

(1)

其中，N1为未剥离涂层格子数；N0为格子总数；L为涂层的未剥离率。

当全浸试验进行至2 d时，不同厚度氯磺化聚乙烯涂层与镀锌钢板的附着力等级为0级，说明此时氯磺化聚乙烯涂层与镀锌钢板的附着力极好，不易脱落、剥落。

当全浸试验进行至6 d时，试验得到剥离率变化情况如图7所示。H厚度、T厚度的氯磺化聚乙烯涂层切口交叉处有少许涂层脱落，此时的氯磺化聚乙烯涂层与镀锌钢板的附着力等级为1级，而B厚度的氯磺化聚乙烯涂层切割边缘完全平滑，无一格脱落，与镀锌钢板的附着力等级为0级。随着腐蚀时间的增大，较厚的氯磺化聚乙烯涂层与镀锌钢板的附着力反而会降低得较快。

对比未进行腐蚀试验的水性聚氨酯涂层附着力测试可以发现，未进行全浸试验的B厚度水性聚氨酯涂层与镀锌钢板的附着力等级为2级，说明短期的全浸试验能使得较薄厚度的水性聚氨酯涂层丧失大部分的附着力，容易出现涂层剥落、脱落等失效方式，但当水性聚氨酯涂层较厚时，此时的水性聚氨酯初始涂层为60 μm，涂层与镀锌钢板的附着力较好，且在全浸试验中不易丧失附着力。

3 结论

1)全浸实验中，氯磺化聚乙烯涂层虽然附着力较好，但反而会加速镀锌钢的腐蚀进程；而水性聚氨酯涂层厚度达到60 μm时，具有较高附着力的同时，可以有效地物理屏蔽保护镀锌钢基体，延缓镀锌钢的腐蚀速度。2)随着腐蚀时间的增大，较厚的氯磺化聚乙烯涂层与镀锌钢板的附着力反而会降低得较快；较薄厚度的水性聚氨酯涂层与基体之间较差的附着力是由于水性聚氨酯具有耐水性差、力学性能较差等缺陷，这些缺陷限制了其在海洋环境中作为耐腐蚀材料的应用与发展。3)当氯磺化聚乙烯涂层较厚且较均匀时，具有一定的防腐性能，但相比之下，水性聚氨酯涂层的耐腐蚀性能明显好于氯磺化聚乙烯涂层。4)研究得出的一些有价值的结论为沿海地区钢结构防腐提供了一定程度的理论指导，具有一定的参考价值。