腐蚀性介质在有机涂层中的传递过程研究

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目前,有机涂层技术仍然是应用最为广泛,并且是最为有效的防腐手段。涂层的失效会导致其金属基材的腐蚀,从而引起资源能源消耗、降低产品质量、环境污染以及危及人身安全等。腐蚀介质通过涂层传递到基材表面,在其界面发生化学和电化学反应,最终导致涂层的失效,进而引起腐蚀。因此,通过有机涂层在腐蚀介质溶液中的浸泡,研究腐蚀介质在有机涂层中的传递过程,最终建立涂层的寿命模型具有极其重要的指导意义。本文采用有机环氧涂层在模拟海洋环境中的浸泡,研究了不同的浸泡时间下涂层的重量、厚度、光泽度的变化规律,初步得到腐蚀介质的渗透过程。然后,通过电化学交流阻抗的方法,研究了涂层在腐蚀介质渗透过程中的失效过程,同时利用其等效电容以及涂层电阻的变化规律,探究腐蚀介质在涂层中的传递过程。同时,通过扫描电镜能谱技术对不同浸泡时间下有机涂层的截面进行分析,得到不同元素离子在涂层中的扩散深度。最后,开创性地采用纳米压入法,通过不同浸泡时间下的涂层表层纳米力学性能的变化规律,得到了不同时间下腐蚀介质在涂层中的渗透深度。通过将电化学参数和纳米力学参数进行关联,得到环氧涂层的基础寿命模型。实验结果表明:环氧涂层在不同浸泡时间下的重量和厚度变化体现出一定的一致性规律。二者都体现了环氧涂层中的有机高分子在腐蚀介质的浸泡过程初期溶胀吸水和腐蚀介质的传递作用明显,中后期分子链的裂解,断裂后的小型分子链反渗透作用逐渐显现,并且成为了主导因素。光泽度的变化规律则不明显,不能较好地体现涂层在劣化过程中的变化规律。交流阻抗变化规律体现了腐蚀介质在涂层中传递引起的涂层电性质的变化。涂层的等效电容值初期迅速增大,之后趋于稳定。说明了腐蚀介质的渗透过程确实引起了涂层的电性能变化。由于腐蚀介质的介电常数远大于环氧涂层本身的介电常数,故随其渗透过程,涂层的介电常数增大,因此浸泡初期涂层的等效电容增大。随着渗透的进行,涂层溶胀吸收的腐蚀介质逐渐趋于饱和,此时涂层的介电常数不再变化,所以等效电容趋于稳定。纳米力学测试结果体现了腐蚀介质在涂层中的扩散,腐蚀介质通过涂层内部的缺陷进入涂层,同时,涂层自身进行溶胀吸水。该过程中,涂层表层纳米硬度、纳米弹性模量都减小,说明涂层表层力学性质随腐蚀介质的浸入而降低,验证了表层纳米力学性能对腐蚀介质传递的敏感性。通过对无因次量硬度模量比模拟了涂层表层性质变化规律,从而得到腐蚀介质传递深度随时间的变化规律。电镜截面元素分析结果得到了腐蚀介质中氯离子和钠离子在涂层中的传递行为。结果显示,氯离子在涂层中传递量较大,并且随腐蚀时间有一定的变化规律;钠离子在涂层中传递量较小,传递速率较慢。同时,对比氯离子和腐蚀介质主体水的传递速率,发现氯离子的传递速率更快。对比研究了不同实验方法,表明了基础测试方法对腐蚀介质在涂层中的传递过程研究的局限性。对比纳米压入法和电化学测试方法的结果,表明了电化学方法的可行性,并验证了纳米压入法的优越性。体现了纳米压入法在测量腐蚀介质在涂层中的传递过程的广泛应用前景。
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