环保型铁锈转化剂的制备及其性能 日08:57 来源：中国防腐涂料网|&&&&讯：
&&&&赵建龙，衣守志，丁涛
&&&&(天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津300457)
&&&&［摘要］针对钢材表面的除锈问题，以低毒的、单宁酸、异丙醇等为原料，通过正交试验优化配方，制备了一种环保型铁锈转化剂。采用中性盐雾试验(NSS)、开路电路-时间曲线、Tafel曲线、扫描电镜、热重/差热综合分析等方法研究了其性能。结果表明:当m(丙烯酸乳液)=6．5g，m(单宁酸)=1．5g，m(异丙醇)=0．5g时，铁锈转化剂的综合性能最佳，以此配方制备的铁锈转化膜层致密、平整，耐热性好，1000℃时不分解，其耐中性盐雾腐蚀(NSS)达24h，在3．5%NaCl溶液中的腐蚀速率为0．0378g/(h?m2)，对Q235钢有良好的保护作用。
&&&&［关键词］铁锈转化剂;配方优选;正交试验;中性盐雾腐蚀;极化曲线;耐腐蚀性
&&&&［中图分类号］TQ639．1［文献标识码］A［文章编号］(25－03
&&&&0?前言
&&&&钢铁表面在涂漆前，必须先进行彻底除锈，否则会影响其与漆膜的结合力，导致漆膜的防腐蚀效果变差。传统的机械除锈，需要专用机具，且耗费大量磨料，还会造成严重的粉尘和噪声污染;而传统的酸洗、火焰等化学除锈，对环境污染较大且处理后的钢材表面粗糙度不够。将铁锈转化剂直接刷涂于钢铁表面可使铁锈转化为保护性的钝化膜层，不必除锈就能直接涂覆施工。目前，铁锈转化剂主要有磷酸型和单宁酸型2类。磷酸型铁锈转化剂耐水性较差，涂膜遇水易泛白、粉化，且稳定性较差，故单宁酸型的铁锈转化剂应用更加广泛［1，2］。以单宁酸为主要成分，以E601为成膜物质研制成的H2000铁锈转化底漆转化效果好、稳定性高、不易返锈，且能与大多数涂料配套使用，但其含有二甲苯等有机溶剂以及铅、铬等防锈，毒性大，对环境污染严重［3］。因此，环保型水性铁锈转化剂是未来的发展趋势。
&&&&本工作以单宁酸为转化促进剂，丙烯酸乳液为成膜剂，异丙醇为渗透剂，并加入成膜助剂醇脂-12、缓蚀剂等无公害物质制备了一种环保型水性铁锈转化剂，其原料易得、价格低廉、转化性能好、安全环保、耐腐蚀性高，克服了传统单宁酸型铁锈转化剂需用有机溶剂稀释的难题，具有广泛的应用前景。
&&&&1?试验
&&&&1．1 基本配方的选定
&&&&1．1．1 组成及作用
&&&&单宁酸是一种同时含有羟基和羧基的多元酸，其分子量较大，在酸性条件下，可与Fe3+发生螯合作用，生成一种具有网状结构、性能稳定的黑褐色单宁酸铁螯合物，紧密吸附在钢铁基体表面，起防锈颜料的作用。渗透剂异丙醇，与极性溶剂无水乙醇配合，可使铁锈转化剂浸润和渗透钢铁表面锈层，促进铁锈转化剂与内层锈蚀发生反应，抑制了腐蚀过程的阳极反应，从而有效地延缓了锈蚀的进程。成膜剂丙烯酸乳液具有物理隔绝和缓蚀保护作用，它通过黏附作用把铁锈转化产物浸透和包封起来，还能使保护膜更加致密均匀，有效地抑制了腐蚀介质与金属表面的接触［4，5］。
&&&&以丙烯酸乳液、单宁酸、异丙醇为主要因素，以腐蚀速率为衡量指标，采用3因素3水平正交试验［6］优选铁锈转化剂配方。正交试验的因素水平见表1。
表1 正交试验因素水平表
&&&&1．1．2 铁锈转化剂的配制
&&&&在烧杯中加入6g乙醇和6g去离子水，混合搅匀，缓慢加入1．5～2．5g单宁酸，待完全溶解后，分别加入0．4～0．6g异丙醇、1g柠檬酸和适量去离子水，搅拌至溶液澄清，制成A液。在6．0～7．0g丙烯酸乳液中加入0．2g冻融稳定剂乙二醇、适量成膜助剂醇脂-12和去离子水，制成B液。将A液缓慢加至B液中，边搅拌边加入少量三甲基硅油作为消泡剂，在室温下继续搅拌20～30min，即制成铁锈转化剂。
&&&&1．2 铁锈转化剂涂覆
&&&&1．2．1 基材预处理
&&&&将自然生锈的Q235钢截成120mm×40mm×3mm，用钢丝刷、砂纸、砂布除去表面较厚的锈层、疏松的锈蚀产物、氧化皮等，仅保留与钢材结合紧密的底部锈蚀。预处理过程实际上是对基材进行了机械除锈，预处理后Q235钢表面仍有一层与基体结合较紧密的锈层(底层锈蚀)，即本工作的除锈对象。
&&&&1．2．2 涂覆铁锈转化剂
&&&&将制备的铁锈转化剂均匀地涂覆在前处理后的Q235钢上，室温下干燥24h使锈层转化完全(Q235钢底部已无黄色锈迹)，从而在Q235钢表面形成了厚80～120μm的铁锈转化膜。
&&&&1．3 测试与表征
&&&&(1)形貌用JSM6380LV型扫描电镜(SEM)观Q235钢涂覆铁锈转化剂前后的表面形貌，观察铁锈转化膜层温室下的5%NaCl(质量分数，下同)溶液中浸泡12h，24h后的破坏程度。
&&&&(2)腐蚀速率将试样在温室下浸泡于3．5%NaCl溶液中24h，采用下式计算腐蚀速率:
计算腐蚀速率公式
&&&&(3)耐热性用刀片将Q235钢表面的铁锈转化膜刮下并成粉末，采用差示扫描量热分析-热失重分析(DSC-TGA)法测试其耐热性，初始温度0℃，终止温度1000℃，升温速率8℃/min。
&&&&(4)中性盐雾试验(NSS)为了便于比较，取3块预处理后的Q235样钢，1号样钢不做处理，即机械除锈，2号样钢用0．2mol/LHCl清洗除去表面锈蚀，即酰洗除锈，置于烘箱中干燥后备用，3号样钢涂覆铁锈转化剂，室温下干燥备用;24h后，在3块样钢表面均涂覆一层醇酸铁红底漆，室温下干燥48h后底漆厚约100μm，将其置于盐雾试验箱中进行中性盐雾试验。腐蚀介质为5%NaCl溶液，温度(35±1)℃，相对湿度≥90%，试样与垂直方向呈30°，连续喷8h，停8h为1个周期。
&&&&(5)电化学性能采用LK3200A型电化学工作站进行电化学性能测试，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂片为辅助电极，试样为工作电极，测试溶液为5%NaCl溶液，测试前将工作电极浸入测试溶液中稳定30min。开路电路-时间曲线测试的工作电极为上述3种样钢试样，扫描范围为0～6s，扫描速率为0．01V/s;Tafel曲线测试的工作电极为涂覆铁锈转化剂涂膜试样，对其进行蜡封，并留出1cm×1cm的工作面积，测试范围－1．2～0V，扫描速度0．005V/s。
&&&&2?结果与讨论
&&&&2．1 配方优选
&&&&表2为正交试验结果。由表2可看出:极差R大小为A＞C＞B，即影响铁锈转化剂性能因素的主次顺序为丙烯酸乳液＞异丙醇＞单宁酸。根据正交试验结果确定铁锈转化剂的最优配方为A2C2B3，即6．5g丙烯酸乳液，0．5g异丙醇，1．5g单宁酸，以此配方制备的铁锈转化膜在3．5%NaCl溶液中的腐蚀速率为0．0378g/(h?m2)，以下研究均针对最优配方制备铁锈转化剂进行。
表2 正交试验结果
&&&&2．2 形貌状态
&&&&Q235钢涂覆铁锈转化剂前后的形貌及铁锈转化膜层的腐蚀形貌见图1。由图1a可知，Q235钢表面凹凸不平，锈蚀较多且分布不均匀;由图1b可见，铁锈转化膜层表面完好平整，致密均匀，对基底起到了很好的隔绝保护作用［7］。此膜是单宁酸中的3个羟基在酸性条件下与Fe3+发生鳌合作用，生成难溶性的稳定配位化合物，并紧密吸附在钢材表面而形成的。由图1c，1d可知，当铁锈转化膜层在5%NaCl溶液中浸泡12h后，膜层开始出现凸起的小泡，24h后，膜层表面出现一些微孔，并出现很多较小的泡状物。这是由于在浸泡过程中，由于Cl－的侵入，膜层的结构发生改变，与基体的附着强度遭到破坏，导致微孔及鼓泡的出现。由此可见，铁锈转化剂与表面铁锈反应生成的螯合物可较好地隔绝溶液中的溶解氧或腐蚀性离子。
图1 Q235钢及铁锈转化膜层的表面SEM形貌
&&&&2．3 中性盐雾(NSS)性能
&&&&中性盐雾试验结果见表3。由表3可知:机械除锈预处理涂漆的钢样在第2周期即出现点状锈蚀，这是由于与基体结合紧密的锈蚀与漆膜中的O2，H2O等反应，导致漆膜不断膨胀所致;经酸洗除锈涂漆的钢样在第4周期开始出现较多浮泡并逐渐增多，这是由于酸洗除锈后钢铁表面变得非常光滑，影响了其与漆膜的粘结效果;经铁锈转化剂处理涂漆的钢样表面耐腐蚀性较强，8个周期后才开始出现针状锈蚀，且数量较少，12周期后仅出现少量锈斑，且漆膜没有起泡，可见铁锈转化剂与底层锈蚀发生了化学反应，生成了稳定的产物并紧密地吸附在基体表面，因而与醇酸铁红底漆的粘结力较高。
表3 中性盐雾试验结果
&&&&2．4 电化学性能
&&&&2．4．1 开路电位-时间曲线
&&&&3种钢样的开路电位-时间曲线见图2。由图2可知:在测量前15s内，开路电位有波动，随后趋于稳定;经铁锈转化剂处理的开路电压稳定值为－0．451V，明显高于机械除锈的钢样(－0．523V)的和酸洗除锈的钢样(－0．518V)的。可见涂覆除锈转化剂后，整个体系的稳定性增强，Q235钢的腐蚀速率降低。这是由于铁锈转化剂在钢样表面与铁锈发生化学反应所形成的致密钝化膜起到了物理隔离的作用，使Q235钢的耐腐蚀性能增强。
图2 3种钢样的开路电位-时间曲线
&&&&2．4．2 Tafel曲线
&&&&Q235钢经铁锈转化剂处理前后的Tafel曲线见图3。由图3可知，经铁锈转化剂处理后钢样的腐蚀电流密度显著降低，从2．248×10－2mA/cm2降至3．567×10－4mA/cm2，而腐蚀电位明显向正偏移，自腐蚀电位从－0．682V升至－0．593V，腐蚀速率由4．697×10－2g/(m2?h)降至7．452×10－2g/(m2?h)，说明铁锈转化膜层形成了很好的缓蚀作用。铁锈转化膜对Q235钢形成了阳极控制型保护，起到了物理隔离与缓蚀保护的作用，显著提高了Q235钢的耐腐蚀性能。
图3 Q235钢涂覆铁锈转化剂前后的Tafel曲线
&&&&2．5 耐热性
&&&&铁锈转化膜的DSC-TGA曲线见图4:在300～400℃，试样质量急剧减少，这可能是反应中乙醇、异丙醇、乙二醇等小分子的蒸发所致;425℃左右，试样质量减少的速度出现转折，逐渐变缓，说明转化膜中的易挥发物质已经蒸发完全，剩下的为较稳定的物质，加热至1000℃无明显的吸热峰和放热峰，只是体系在不断吸热，说明转化膜较难分解，耐热性较佳。
图4 铁锈转化膜的DSC-TGA曲线
&&&&3?结论
&&&&(1)当m(丙烯酸乳液)=6．5g，m(单宁酸)=1．5g，m(异丙醇)=0．5g时，铁锈转化膜层致密均匀，膜层紧密地吸附在钢材表面，能有效地阻止Cl－，O2等与钢铁表面的接触，铁锈转化膜层的综合性能最佳，其耐NSS腐蚀可达24h，在3．5%NaCl溶液中腐蚀速率仅为0．0378g/(h?m2)，1000℃不发生分解。
&&&&(2)经铁锈转化剂处理的Q235钢比酸洗和机械除锈钢样的开路电位更高，抗腐蚀性能更优，与醇酸铁红底漆的结合力更强。
&&&&(3)铁锈转化剂制备工艺简单，安全环保，施工方便，具有良好的应用前景。
&&&&［参考文献］
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&&&&［7］张安富，周宇帆，陈绪文，等．W-PT水溶性带锈防锈涂料耐蚀性及其涂层形貌［J］．材料保护，):27～28．责任编辑：谭蓉
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