硅烷含量对汽车钢板表面薄有机涂层防护性能的影响_高志强.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 0 6硅烷含量对汽车钢板表面薄有机涂层防护性能的影响高志强1,任鸿儒1,侯利锋1,刘晓芳2,张 铮1(1.太原理工大学材料科学与工程学院,太原 0 3 0 0 2 4;2.山西中医药大学中药与食品工程学院,晋中 0 3 0 6 1 9)摘 要:以环氧硅烷为交联剂,水性丙烯酸为成膜成分,从而改善汽车钢板表面薄有机涂层的防护性能。采用反射率测定仪、共聚焦激光扫描显微镜(C L S M)和扫描电子显微镜(S EM),研究了硅烷含量对薄有机涂层形貌、耐水性和耐蚀性的影响,并通过电化学阻抗谱分析了硅烷含量对涂层防护性能的影响。结果表明:当涂层中硅烷的质量分数不超过1.0 0%时,随着硅烷含量的增加,涂层的耐水性和耐蚀性均显著提高,对钢板的防护性能增强;当硅烷质量分数超过1.0 0%时,硅烷不能完全融入涂层中,导致涂层内部存在缺陷,其防护能力有所降低。关键词:热镀锌;硅烷;涂层;腐蚀;电化学阻抗;化学交联中图分类号:T B 3 7 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 0 3 5-0 7I n f l u e n c e o f S i l a n e C o n t e n t o n P r o t e c t i v e P e r f o r m a n c e o f T h i n O r g a n i c C o a t i n g o n A u t o m o t i v e G a l v a n i z e d S t e e lGAO Z h i q i a n g1,R E N H o n g r u1,HOU L i f e n g1,L I U X i a o f a n g2,Z HANG Z h e n g1(1.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e&E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;2.C o l l e g e o f T r a d i t i o n a l C h i n e s e M e d i c i n e a n d F o o d E n g i n e e r i n g,S h a n x i U n i v e r s i t y o f C h i n e s e M e d i c i n e,J i n z h o n g 0 3 0 6 1 9,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t i m p r o v i n g p r o t e c t i v e p e r f o r m a n c e o f t h i n o r g a n i c c o a t i n g s o n a u t o m o t i v e g a l v a n i z e d s t e e l s,t h e e p o x y s i l a n e w a s u s e d a s a c r o s s-l i n k i n g a g e n t,a n d w a t e r b o r n e a c r y l i c r e s i n a s a f i l m i n g r e d i e n t.E f f e c t o f s i l a n e c o n t e n t o n m o r p h o l o g y,w a t e r r e s i s t a n c e a n d c o r r o s i v e r e s i s t a n c e p r o p e r t i e s w e r e i n v e s t i g a t e d u s i n g r e f l e c t i v i t y t e s t e r,c o n f o c a l l a s e r s c a n n i n g m i c r o s c o p y(C L S M)a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM).T h e i n f l u e n c e o f s i l a n e c o n t e n t o n t h e p r o t e c t i v e p e r f o r m a n c e o f t h e c o a t i n g w a s a n a l y z e d b y e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t w h e n t h e m a s s f r a c t i o n o f s i l a n e i n t h e c o a t i n g w a s l e s s t h a n 1.0 0%,w i t h t h e i n c r e a s e o f s i l a n e c o n t e n t,t h e w a t e r r e s i s t a n c e a n d c o r r o s i v e r e s i s t a n c e o f t h e c o a t i n g w e r e s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d,a n d t h e p r o t e c t i v e p e r f o r m a n c e o f t h e c o a t i n g t o t h e s t e e l p l a t e w a s e n h a n c e d.Wh e n t h e m a s s f r a c t i o n o f s i l a n e e x c e e d e d 1.0 0%,s i l a n e c o u l d n o t b e c o m p l e t e l y i n t e g r a t e d i n t o t h e c o a t i n g,w h i c h l e d t o d e f e c t s i n t h e c o a t i n g a n d r e d u c e d i t s p r o t e c t i v e a b i l i t y.K e y w o r d s:h o t-d i p g a l v a n i z i n g;s i l a n e;c o a t i n g;c o r r o s i o n;e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y;c h e m i c a l c r o s s-l i n k i n g 汽车热镀锌钢板表面的薄有机涂层(厚度不超过2 m)不仅可以增强基体的耐腐蚀性能,还能够赋予表面更多的功能,如涂层的自润滑、耐指纹性能收稿日期:2 0 2 1-0 8-0 4基金项目:山西省基础研究计划(2 0 2 1 0 3 0 2 1 2 3 1 6 0);国家自然科 学 基 金(5 2 0 7 1 2 2 7);中 央 引 导 地 方 科 技 发 展 专 项(Y D Z X 2 0 1 9 1 4 0 0 0 0 2 0 9 4);山 西 省 科 技 重 大 专 项(2 0 1 9 1 1 0 2 0 0 6)通信作者:高志强(1 9 7 7-),副教授,博士,主要从事表面涂层研究工作,0 3 5 1-6 0 1 0 0 2 1,g q 7 7 0 1 3 01 2 6.c o m等1-4。因此,薄有机涂层钢板在汽车行业中备受青睐。然而,减薄涂层厚度对其表面防护技术提出了较大挑战5-9,开发耐蚀性好的薄有机涂层成为汽车涂层钢板领域的热门课题。环氧基硅烷是常用的 外反应型交 联剂1 0-1 2。在涂层体系中引入硅烷交联剂,可提高涂层内部高分子单体的交联密度1 3-1 5,不仅有助于增强涂层的屏蔽保护作用1 6-1 7,而且还能够提高涂层与基体之间的结合力1 8-1 9,这主要是由于在中等温度条件下,硅烷中的环氧基团能够同树脂中的羧基和羟基53第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2发生化学交联。同时,硅氧烷基水解后,也会发生自身缩合,形成致密的-S i-O-S i-交联网络2 0。另外,水解后产生的-S i-OH 基团,还可以与金属基体表面吸附的羟基发生偶联,产生的-S i-O-M 基团使涂层牢固地附着于金属表面。本工作以环氧基硅烷作为交联剂,采用水性丙烯酸树脂作为主要成膜物,在热镀锌钢板表面制备薄有机涂层,研究硅烷含量对涂层外观、耐沸水冲击和耐蚀性的影响,并通过电化学阻抗谱,深入分析硅烷含量对涂层防护性能的影响,以期为开发高性能汽车钢板表面的薄有机涂层技术奠定基础。1 试验1.1 试样及其制备采用陶氏化学有限公司生产的R h o p l e x E c o-9 5 4丙烯酸聚合物乳液配制涂料,环氧基硅烷AO E-4 0的 质 量 分 数 分 别 为0.2 5%、0.5%、0.7 5%、1.0 0%、1.2 5%,涂料的基础配方如表1所示。热镀锌钢板采用汽车行业常用的锌层厚度约1 5 m(Z n克重为2 1 0.5 g/m2)的双相钢板。将尺寸为3 0 mm2 0 mm1.2 mm的试样浸泡于酒精中,超声清洗1 m i n,然后晾干待用。借助湿膜厚度为6 m的涂布棒,将涂料涂覆于试样表面,在8 0 下固化3 m i n,制备干膜厚度为(1.50.5)m的薄有机涂层。其中,不含环氧基硅烷的涂层试样作为对比试样。1.2 试验方法由于光学显微镜和电子显微镜所得图像对比度较小的原因,为了更好地证实薄透明有机涂层的存在,须借助于纳米划痕仪(C S M,N S T模式)对透明涂层的存在进行验证。采用VK-X型共聚焦激光扫描显微镜(C L S M)和F E I Q u a n t 6 5 0型扫描电子显微镜(S EM)观察涂层钢板的表面形貌,并借助附带的P e g a s u s A p e x 4型能谱分析仪(E D S)进行成分分析。依据G B/T 9 2 7 0-1 9 8 8 浅色漆对比率的测定(聚酯膜法),利用C 8 4-I I I型反射率测定仪测定涂层的对比度,以研究硅烷含量对涂层外观的影响。依据G B/T 1 7 7 3-1 9 9 3 漆膜耐水性测定法,采用沸水加速试验测试涂层的耐水性,通过观察涂层在浸泡沸水之后的形貌,判定涂层抵抗沸水冲击的能力。依据A S TM B 1 1 7-2 0 0 3 盐雾试验标准操作规范,通过中性盐雾试验评价涂层的耐蚀性,测试后的试样用酒精冲洗,自然晾干,观察其形貌变化。利用电化学阻抗谱(E I S)测试技术对涂层在腐蚀过程中的电化学行为进行深入分析,将G a m r y R e f e r e n c e 6 0 0+型恒电位仪与三电极电解池互相连接,电解液为5.0%(质量分数,下同)N a C l溶液,试样暴露于电解液中的面积为1 c m2。试样作为工作电极,测试温度为(2 52),