徐 凯

（国网辽宁省电力有限公司，沈阳 110000）

0 引言

电力领域大量采用钢结构、镀锌钢结构作为输变电设施的支撑材料，这些钢结构曝露于具有腐蚀性的大气、土壤及水介质中，造成材料腐蚀，引发电力运行事故[1]。目前电力钢结构的防腐蚀方案主要为热浸锌工艺。实际应用中，在海洋大气、工业污染以及强电磁场环境中，往往实际使用寿命远低于设计寿命[2]。钢结构发生腐蚀后需对其及时进行涂层修复，防止材料腐蚀积累到影响结构强度。材料腐蚀后形成的腐蚀产物，也即是锈，会严重影响涂层与金属的结合，进而大大降低涂层的防护效果与使用寿命。通常在运行中的高压设施中进行除锈是非常危险的，现场的除锈效果也有限。针对这一长期困扰电力行业的问题，本文提出了环氧-磷酸锈转化涂层体系，对其制备及成分配比影响进行了研究。

1 试验

实验中使用的基体金属为Q235钢，其化学成分如表1所示。

表1 Q235钢化学成分表（wt.%）

使用前Q235钢被线切割成块状，用于微观形貌分析的样品尺寸为20×20×2mm，用作附着力测试的样品尺寸为30×30×2mm，用作盐雾实验的样品尺寸为40×40×2mm。试片在使用前用120目的玻璃微珠进行喷砂处理，以除去表面的氧化膜、浮锈等污染物，同时增加金属表面的粗糙度。喷砂后的样品经30min超声波丙酮除油后迅速用电吹风吹干并放入干燥器中备用。实验中使用的环氧树脂为缩水甘油醚型双酚A环氧树脂，其型号为E-44，环氧值为0.41～0.47mol/100g，上海树脂厂生产。固化剂为一种改性聚胺，型号为5772，胺值为660～850mgKOH/g，活泼氢当量为48，上海树脂厂生产。

2 锈转化复合防腐涂料的制备

2.1 制备反应机理

如图1所示，环氧树脂E44中的环氧基团可以与磷酸发生反应，形成环氧-磷酸酯，当E44/磷酸的摩尔比为1∶2时，因为磷酸的反应官能团过量，可以实现对E44的封端，形成两端带有磷酸官能团的有机/无机杂化分子。而当E44/磷酸的摩尔比大于1∶2时，随着反应的进行，磷酸之间可以发生脱水缩合，形成聚磷酸结构，或以氢键的方式结合在一起形成多聚磷酸的形式。

图1 环氧-磷酸酯制备反应机理

2.2 锈转化涂料制备工艺

2.2.1 环氧-磷酸酯的制备

称取22.85g E44型环氧树脂于100ml锥形瓶中，加入40mL丙酮，分别按E44∶H3PO4=1∶2，1∶3，1∶4，1∶5的摩尔比加入磷酸。将锥形瓶置于磁力搅拌器上搅拌，使得E44与磷酸混合均匀，然后升温至65℃反应1h，再升温至85℃回流反应1h。撤掉回流装置，于85℃反应0.5h，使体系中多余的丙酮溶剂挥发，并在丙酮挥发过程中带走体系中的水分。待体系黏度适当时停止加热，冷却至室温，获得E44∶H3PO4摩尔比为1∶2，1∶3，1∶4和1∶5的4种环氧-磷酸酯。

2.2.2 环氧树脂锈转化防腐涂层制备

用制备的三种环氧-磷酸酯对盐雾条件下Q235钢3h锈蚀产物进行转化实验。用丙酮和正丁醇将4种环氧-磷酸酯分别调节至适当的浓度，使用刷子将每种环氧-磷酸酯转化液分别刷涂在20×20×2mm 、30×30×2mm、40×40×2mm和50×50×2mm尺寸的Q235钢在盐雾试验3h的锈蚀表面，涂刷后于室温放置6～12h，待明显观察到锈蚀产物分解和发黑现象，且转化液表干到适当程度，用刷子在转化层表面涂刷环氧树脂清漆。室温自然固化，获得环氧树脂锈转化防腐涂层样品。

3 结果与讨论

3.1 酸含量对锈转化效果的影响

环氧-磷酸酯型转化液对盐雾条件下Q235钢表面3h锈蚀产物具有转化作用，且环氧-磷酸酯中含有的磷酸比例越大，转化效果越好。E44∶H3PO4的摩尔比为1∶2的转化液对3h锈蚀产物转化能力较差，不能够完全转化，在转化层表面仍可见棕黄色未反应的锈蚀产物。E44∶H3PO4摩尔比为1∶3的转化液对3h锈蚀产物的转化效果较好，使得大部分锈蚀产物转化为黑色络合物，但仍旧不能将锈蚀产物完全转化。E44∶H3PO4摩尔比为1∶4的转化液能够有效的转化3h锈蚀产物，使得棕黄色锈蚀产物基本转化为黑色络合物。E44∶H3PO4摩尔比为1∶5的转化液由于磷酸用量过度，过量的磷酸与基体发生反应，反应过于剧烈，产生大量气泡，虽然转化效果良好，使得锈蚀产物完全分解转化，但形成的转化层残留大量气泡和空洞，不是理想的转化效果。图2为不同磷酸含量涂层的转化效果截面微观形貌图。从图2中可以看出，H3PO4比例不足时，转化液对锈蚀产物的转化能力较差，对于锈蚀层厚的位置不能渗透到基体表面，这样就形成了在基体表层某些部位残留一层未反应的锈蚀产物的情况。未反应的锈蚀产物薄层与上层的有机无机杂化锈转化层的相容性较差，表现为转化层与Q235钢基体之间因剥离形成的缝隙。E44∶H3PO4摩尔比为1∶3的转化液的转化能力明显提高，锈蚀产物被分解的更细小，且更均匀的分散在有机相内。可以看到，锈蚀产物颗粒的微观结构明显改变，已经很难看到铁氧化物的特征结晶结构，锈蚀产物已经大部分被转化为络合物。另外，可以发现，转化产物层与Q235钢基体的界面结合效果更好。

图2 不同磷酸含量涂层的转化效果截面微观形貌图

3.2 酸含量复合防腐涂层附着力的影响

选择美国APP公司生产的D号带锈涂料，将该种涂料与本实验中的锈转化复合防腐涂层做性能对比分析。图3为三种环氧-磷酸酯型锈转化防腐涂层和APP公司的D型带锈涂料的附着力测试结果。实验采用美国Delelsko公司生产的PositestAT-A全自动拉拔型附着力测试仪，参照ASTM D4541-02进行。此标准中的拉开法属于剥离实验法，其所测定的是膜层被剥离所需要的功或在垂直方向上将膜层拉开一定面积所需的力。

图3 不同锈转化复合防腐涂层附着力测试结果（E44：H3PO4摩尔比）

E44∶H3PO4摩尔比为1∶3组的平均附着力值表现较佳为3.4MPa，E44∶H3PO4摩尔比为1∶2组平均附着力只有2.4MPa。E44∶H3PO4摩尔比为1∶4组和App公司D号组分别为2.8MPa和2.7MPa。结合附着力测试断面形貌图及锈转化层截面微观形貌，磷酸含量较低时，局部区域有锈蚀产物残留在基体表面，这与锈蚀层截面分析中该组锈转化不完全的结果相符。H3PO4含量较高的一组断面处明显可见锈转化形成的络合产物层，转化层分层分布且转化层中存在大量裂缝，裂缝的存在使得转化层的强度较差，容易在附着力测试过程中发生断裂，造成锈转化涂层附着力差的结果。

4 结语

（1）实验制备了不同摩尔比的环氧-磷酸酯型锈转化液，实验结果表明环氧磷-酸酯型转化液对盐雾条件下Q235钢3h锈蚀产物具有转化效果，且转化液中磷酸含量越多，对锈蚀产物转化能力越强，但当E44∶H3PO4的摩尔比大于1∶4时，反应过于剧烈；

（2）E44∶H3PO4的摩尔比为1∶3和1∶4时锈转化液转化效果较好，且形成的转化层对基体的附着性较好，其中摩尔比为1∶3时，转化层较完整，与环氧树脂清漆相容性也较好；摩尔比为1∶4时，转化层出现裂缝，导致涂层附着力下降。