水性锈转化涂料中转锈剂的优化及适用性研究_严冰.pdf

73 DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.04.012 水性锈转化涂料中转锈剂的优化及适用性研究水性锈转化涂料中转锈剂的优化及适用性研究 严冰1,*，任海波2，闫渊1，王瑶3，屈坤1 1.西安鸿钧睿泽新材料科技有限公司，陕西 西安 710075 2.陕西省天然气股份有限公司，陕西 西安 710016 3.西安交通大学，陕西 西安 710000 摘要：摘要：介绍了一款新型水性锈转化丙烯酸酯涂料的研制。采用质量比 31 的单宁酸和磷酸组成转锈剂，当其添加量为 6.0%(质量分数)时具有最佳的转锈效果。根据扫描电镜表征、Tafel 曲线测量及耐介质测试的结果，分析了涂层的最佳施工条件，并分别与环氧、聚氨酯和有机硅面漆进行配套。该锈转化涂料完全可以替代传统涂料施工前基材手工打磨的预处理方式。关键词：关键词：水性丙烯酸酯涂料；锈转化；单宁酸；磷酸；前处理；面漆；配套性 中图分类号：中图分类号：TQ637 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)04 0073 05 Study on optimization and applicability of rust converters in waterborne rust conversion paint YAN Bing 1,*,REN Haibo 2,YAN Yuan 1,WANG Yao 3,QU Kun 1 1.Xian Hongjun Ruize New Material Technology Co.,Ltd.,Xian 710075,China 2.Shaanxi Natural Gas Co.,Ltd.,Xian 710016,China 3.Xian Jiaotong University,Xian 710000,China Abstract:The preparation of a novel waterborne acrylate-based rust conversion paint was introduced.The best rust conversion effect could be obtained by addition of 6%(mass fraction)of a rust converter composed of tannic acid and phosphoric acid at a mass ratio of 3:1.The conditions for application of the paint were optimized by scanning electron microscopic characterization,Tafel curve measurement,and medium resistance testing.The compatibility of the paint with different topcoats were examined.The paint can be used for replacing the manual grinding as pretreatment of substrate.Keywords:waterborne acrylate paint;rust conversion;tannic acid;phosphoric acid;pretreatment;topcoat;compatibility 目前国内防腐行业遇到一些无法除锈的场所常采用锈转化涂料直接将铁锈转化为稳定的三价铁配合物，成膜后充当预涂底漆1。单宁酸(TA)由于转锈效果好，酸性弱而副作用小，常在配方中用作转锈剂2。但其有机大分子结构导致渗透性一般，深度除锈困难，进而影响配套涂层的整体防腐性能。本文从防腐性能及微观形貌的角度出发，选用磷酸(PA)与单宁酸配合，获得了性能优异的水性锈转化涂料。1 实验实验 1.1 试剂试剂 丙烯酸酯共聚乳液(工业级)：路博润特种化工有限公司；单宁酸(分析纯)：郑州派尼化学试剂厂；磷酸(分析纯)、助溶剂：西安三浦化学试剂有限公司；基材润湿剂、消泡剂、流变助剂和表面助剂：德国毕克化学公司；成膜助剂：陶氏化学公司；沉淀硫酸钡：山阳奥科粉体有限公司；蒸馏水：自制；溶剂型环氧漆、无溶剂型环氧漆、溶剂型聚氨酯漆、溶剂型有机硅漆：西安经建油漆股份有限公司。1.2 仪器与设备仪器与设备 PL-L 电子天平：梅特勒托利多公司；BGD 740/1 高速分散机、BGD 184 斯托默黏度计、BGD 880/S 盐雾试验箱：广州标格达精密仪器有限公司；SC-GW01 恒温烘箱：广州世测标准技术服务有限公司；POSITEST AT-M 拉拔附着力测试仪：美国 DeFelsko 公司；CS-350H 电化学工作站：武汉科斯特仪器股份有限公司；QUANIX 8500 测厚仪：德国 Automation 公司；Quanta-450-FEG 场发射扫描电镜(SEM)：美国 FEI 公司。收稿日期：收稿日期：20220310 修回日期：修回日期：20221129 作者简介：作者简介：严冰（1991），男，硕士，工程师，研究方向为防腐涂料研发。引用格式：引用格式：严冰,任海波,闫渊,等.水性锈转化涂料中转锈剂的优化及适用性研究J.电镀与涂饰,2023,42(4):73-77.YAN B,REN H B,YAN Y,et al.Study on optimization and applicability of rust converters in waterborne rust conversion paint J.Electroplating&Finishing,2023,42(4):73-77.水性锈转化涂料中转锈剂的优化及适用性研究 74 1.3 水性锈转化涂料的制备水性锈转化涂料的制备 1.3.1 填料浆的制备填料浆的制备 在冷却水作用下，取 39 g 蒸馏水，在转速 500 r/min 的条件下加入 0.9 g 流变助剂、0.6 g 消泡剂及 7.5 g助溶剂充分搅拌，再添加 51 g 沉淀硫酸钡，提高转速至 1 500 r/min，保持体系均匀稳定，至细度 40 m 后得到填料浆。1.3.2 涂料的制备涂料的制备 取 1.3.1 制得的填料浆 36 g，在转速 500 r/min 的条件下加入丙烯酸酯共聚乳液 57 g、一定量的转锈剂，以及消泡剂和表面助剂各 0.2 g，中低速分散均匀后得到水性锈转化涂料。1.4 锈板的制备锈板的制备 干燥时间和耐冲击性测试采用马口铁板，其预处理按照 GB/T 92712008 色漆和清漆 标准试板 进行。划格、耐水性、耐盐水性、耐湿热性、耐盐雾性等试验采用带锈钢板，其制备方法如下：将热轧钢板喷砂处理至 GB/T 8923.12011涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定 第 1 部分：未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级 中规定的 Sa1/2 除锈等级，表面粗糙度达到 GB/T 13288.12008 涂覆涂料前钢材表面处理 喷射清理后的钢材表面粗糙度特性 第 1 部分：用于评定喷射清理后钢材表面粗糙度的 ISO 表面粗糙度比较样块的技术要求和定义中的中级，然后按 GB/T 17712007色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定进行 7 d 盐雾试验，取出后再按 GB/T 17402007漆膜耐湿热测定法进行 7 d的湿热试验，取出试板后依次用蒸馏水、无水乙醇及乙酸乙酯将其表面的浮油清洗干净，最后在(105 2)的条件下烘 1 h。1.5 涂层的制备涂层的制备 采用美工刷在马口铁板和带锈钢板表面均匀涂刷一遍，厚度分别保持在 25 m 和 60 m 左右。1.6 测试与表征方法测试与表征方法 漆膜的耐水性、耐盐雾性、耐液体介质性和附着力分别参照 GB/T 17331993 漆膜耐水性测定法、GB/T 17712007、GB/T 92741988色漆和清漆 耐液体介质的测定和 GB/T 92861998色漆和清漆 漆膜的划格试验进行测定。采用扫描电镜对转锈层进行观察。采用电化学工作站，以涂层电极(暴露面积为 1 cm2)与 Pt辅助电极、饱和甘汞电极(SCE)组成三电极体系，在温度 25 下测量极化曲线(扫描速率 0.5 mV/s),根据 Stern-Geary 方程式即式(1)计算腐蚀电流密度 jcorr(单位：A/cm2)及腐蚀速率 vcorr(单位：mm/a)。()accorracp2.303b bjbbR=+(1)corrWcorr10 jE tvF=(2)式中ba和bc分别为阳极Tafel斜率和阴极Tafel斜率，Rp为极化电阻，即极化曲线在腐蚀电位corr处的斜率，F为法拉第常数(96 500 C/mol)，EW为当量(28 g/mol)，为密度(7.8 g/cm3)，t为时间(单位：s)。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 锈板不同预处理方式对腐蚀的影响锈板不同预处理方式对腐蚀的影响 分别采用工厂翻修常见的仅除浮油、部分去除浮锈、完全去除浮锈、手工打磨等预处理方式制备的试板，锈转化涂料单独采用单宁酸作为转锈剂，利用电化学工作站测量Tafel曲线。由图1可知，完全去除浮锈及手工打磨两种预处理后喷涂的试板具有更正的腐蚀电位，而完全去除浮锈相比手工打磨具有更低的腐蚀电流密度，因此其试板的腐蚀速率更低。这是由于未反应铁锈的存在导致涂层内部疏松多孔(如图2所示)，涂层耐腐蚀性能下降，而手工打磨试板不仅将锈除去，也会减薄基材，从而影响了腐蚀速率。因此，在实际施工过程中，除锈需要达到一定程度才有利于锈转化涂料发挥作用。2.2 单宁酸用量对转锈效果的影响单宁酸用量对转锈效果的影响 在体系中分别加入相对于填料浆和乳液总质量2.0%、4.0%、6.0%、8.0%和10.0%的单宁酸后制备涂层。水性锈转化涂料中转锈剂的优化及适用性研究 75 图图 1 不同方式预处理后涂覆锈转化涂料试板的不同方式预处理后涂覆锈转化涂料试板的 Tafel 曲线曲线 Figure 1 Tafel curves for the specimens pretreated by different methods after being coated with rust conversion paint 图图 2 未完全反应的深度锈层未完全反应的深度锈层 Figure 2 Unconverted rust layer deep inside the coating 如图3所示，采用小刀将表面漆膜划开直至基材处，目测深度转锈情况。在2.0%及4.0%的单宁酸用量下依然能看出基材底部有锈蚀痕迹，6.0%时效果最佳，而超过6.0%的情况下对靠近基材处的转锈效果改善不明显，且表面会因酸过多而有明显的腐蚀坑。(a)2.0%(b)4.0%(c)6.0%(d)8.0%(e)10.0%图图 3 单宁酸添加量对转锈效果的影响单宁酸添加量对转锈效果的影响 Figure 3 Effect of the amount of tannic acid on rust conversion 将目测表现最好的以6.0%单宁酸制备的转锈试板置于扫描电镜中观察。从图4可以看出表面转锈效果优异，且漆膜致密，未发现有裸露的带锈基材，说明铁锈转化程度高且附着力优异，但高倍下观察划口处仍有疏松物质存在，说明铁锈未能完全转化。由此可见，单纯采用单宁酸作为转锈物质无法获得理想的转锈效果，还需搭配其他渗透性更强的转锈剂。2.3 单宁酸与磷酸配比对腐蚀速率的影响单宁酸与磷酸配比对腐蚀速率的影响 磷酸作为无机缓蚀剂的一种，本身具有配合物属性，且酸性中等、渗透性强，与单宁酸搭配较为理想。保持转锈剂的用量为6.0%，分别以6.0%单宁酸、4.5%单宁酸+1.5%磷酸、3.0%单宁酸+3.0%磷酸、1.5%单宁酸+4.5%磷酸及6.0%磷酸作为转锈剂配制水性锈转