EIS方法对有机涂层在海水介质中的耐腐蚀性研究

2014-05-29蔡鹏山杨振华李雪梅刘选会

化工机械 2014年3期

蔡鹏山王蓉杨振华李雪梅刘选会

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

目前，在重防腐涂层材料中较常用的三大树脂是环氧树脂、聚氨酯和含氯乙烯类树脂[1]。由于涂层材料直接暴露在环境中，对其环境行为能力构成影响的因素很多，总的来说分为两类：一种是材料自身的结构特点，另一种是周围环境的影响，如大气、水、氧和一些材料接触的电解质溶液[2]。笔者主要研究了有机涂层材料在海水中的环境行为变化。

1 涂层材料环境行为实验的表征方法

高分子材料失效的同时，材料本身会产生一系列物理和化学变化，因此，对材料的失效评估可以运用相关仪器跟踪材料物理、化学性能的变化，以此对失效的过程进行观测，同时用各种方法对结果进行表征。

表征材料失效的方法有很多，如利用材料力学性能、分子量变化、试样外观与颜色和样品重量变化来表征；或者用化学方法测定挥发性反应产物的形成速度(如测 CO2、HCl)、测量不挥发性氧化产物——羰基和氢过氧化物在试样上的积累方法进行表征。目前应用较为广泛的有分子量法、吸氧法、电化学方法及微观结构的分析等[3]。

对于高分子材料老化过程所出现的分子链断裂或交联、链结构或侧基的改变、超分子结构及组成的变化等，将产生荷电质点或影响了电荷的传输(吸收电流、传导电流)，因此，测定高分子材料的介电常数和介电损耗角的正切值，有助于研究材料老化过程中偶极极化(偶极的生成或改变、分子间与分子内作用力的变化、热运动特性)及分子结构的变化等。例如，对于电绝缘材料(如电线、电缆等)来说，常采用体积电阻率、介电强度及介电损耗等电性能为指标，测定高分子材料老化过程中的电流-时间关系或电阻率-温度关系，就有可能间接地判断其老化程度。另外，交流阻抗技术在涂层作用机理研究方法已有广泛的应用。电化学阻抗技术(EIS)是以小振幅的正弦波为扰动信号，将响应与扰动之间的关系以频率为变量来表示的一种电化学测试技术[4]。在高频区反应快步骤的动力学特征，低频区反应慢步骤的动力学特征。用电化学阻抗技术对涂覆于金属表面上不同涂层材料的老化问题进行更深入地研究，建立海水中不同涂层材料电化学阻抗谱系，这不论是在流动腐蚀的研究中，还是在电化学阻抗技术的推广应用方面都具有重要的理论和实践意义。从阻抗谱解析出的数据不仅可以评价涂料的防护性能，而且可以研究金属/涂层界面所发生的腐蚀电化学过程，进而分析涂层的失效机制。有学者利用交流阻抗技术研究一些元素相同而结构、空间构型不同的有机分子对碳钢的缓蚀性和新型颜料添加剂对碳钢有机涂层老化行为的影响，并指出EIS将可能成为研究涂层材料老化性能和涂层配方筛选中的一种快速、可行的实验手段。

在此，笔者将交流阻抗法运用到涂层材料环境行为的分析研究中，针对不同种类的涂层材料分别研究其环境行为，并比较其耐腐蚀性的优劣。

2 实验仪器

实验装置如图1所示，将样品载入电解池后，向电解池加入其容量2/3的氯化钠溶液。将电解池中的参比电极、工作电极、辅助电极与仪器接通，监测研究电极的腐蚀电位。浸泡约30min左右，待研究电极的腐蚀电位趋稳定，便可开始阻抗测量。

图1 测量涂层交流阻抗图谱的装置

3 实验结果与讨论

为了研究涂层的种类对材料环境行为的影响，笔者在室温敞开的条件下测定了4种不同的涂层材料在3.5%的盐水中预浸时间为零时的交流阻抗图谱，并且进行了比较，得出的结果如图2所示。由于所得曲线均存在数量级差别，无法在一张图中看到多条完整的曲线，结合图3、4不难看出，虽然浸泡时间为零，并非所有的涂层都表现出隔绝外界环境的一面，环氧石墨、聚氨酯和氯化橡胶图谱均呈现出单圆，说明只有一个时间常数，也就是说只有一个界面，即涂层界面，此时的涂层相当于一个纯电容，电阻很大，电容很小，起到了防水的隔绝作用；但是醇酸的阻抗图谱已经呈现明显的双圆，即有两个时间常数，也就是说在很短的时间内，电解质溶液迅速渗透到涂层/基层引起原电池腐蚀反应，说明醇酸涂层耐腐蚀性能非常差。但是，同为单圆的阻抗图谱中单圆曲率直径(即涂层电阻)却有很大的差距，由图2可以直观地看到，环氧石墨涂层的涂层电阻最大，聚氨酯涂层次之，接下来是氯化橡胶涂层，而醇酸涂层的涂层电阻最小。由此可以说明，环氧类涂层的致密程度和耐腐蚀性能优于其他涂层。