趙言凱，朱 琳，馬彩霞

(山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

閘門、啟閉機(jī)等水工建筑長期在水流沖刷、干濕交替等惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，因此很容易出現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的氣蝕、腐蝕以及磨損等結(jié)構(gòu)病害[1]。其中，腐蝕會增加金屬表面的粗糙度，再由于金屬組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，腐蝕會破壞晶界、相界或其它組織的完整性，降低其結(jié)合強(qiáng)度。如果發(fā)生組織的選擇性腐蝕，大多是合金基體溶解(屬陽極相)，而在表面殘留碳化物或其他第二相顆粒(屬陰極相)，當(dāng)磨頭滑過或粒子沖擊時很容易被剝落而增加磨損量[2]。針對水工工作環(huán)境下的金屬部件防腐蝕問題，工程通常采用的防腐蝕技術(shù)是覆蓋層保護(hù)結(jié)合非金屬噴涂技術(shù)或金屬電鍍技術(shù)。其中，金屬覆蓋法是在金屬表面覆蓋一層耐腐蝕性強(qiáng)的金屬或合金，常用的噴涂技術(shù)包括金屬涂層、碳化鎢金屬陶瓷等，該方法防護(hù)效果相對較好，但其抗磨性能不佳，覆蓋層容易遭到破壞。非金屬覆蓋法是將滲透效果比較好的非金屬物質(zhì)噴涂在金屬表面，常用的非金屬涂料包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯等，該方法施工簡單，但其存在耐久性不強(qiáng)、易褪色等問題[3]。因此，研究選取了納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底涂材料，并與1085A固化劑按4∶1的比例配置。同時，選用陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面涂材料，并與1085NH按照100∶8的比例配制，從而形成了“納米鈦復(fù)合重防腐涂料+陶瓷防腐抗沖磨涂料”的復(fù)合防護(hù)涂層材料，以期在水工建筑的金屬防護(hù)上取得一定成效。

1 試驗制備與測試

1.1 試驗材料與設(shè)備

要實現(xiàn)對水工建筑金屬結(jié)構(gòu)的有效保護(hù)，必須滿足材料的性能要求，其中包括抗沖磨性能、變形協(xié)調(diào)性、粘結(jié)性能以及耐腐蝕性[4]。其中，抗沖磨性主要是為了防止金屬結(jié)構(gòu)因水流與泥沙的沖刷而導(dǎo)致防護(hù)涂層失效。變形協(xié)調(diào)性主要為了保證金屬涂層具有一定的柔韌性與收縮率以更好地適應(yīng)金屬材料因溫度改變造成的體積變化。粘結(jié)性能是為了防止金屬結(jié)構(gòu)涂層因附著力差而造成的起皮脫落現(xiàn)象，而金屬的耐腐蝕性則是確保防護(hù)涂層不容易被腐蝕性介質(zhì)破壞以達(dá)到更好的耐久性。常見的金屬防護(hù)涂層材料包括鋅、鋁以及其合金等，其防護(hù)性能相對較好，但存在抗沖磨性差的問題，水工金屬結(jié)構(gòu)很容易受水流與泥沙的沖擊的影響，導(dǎo)致防護(hù)覆蓋層被破壞從而造成腐蝕。而聚氨酯和環(huán)氧等非金屬涂層材料具有施工方便、涂層粘結(jié)性好等優(yōu)勢，因此研究選用環(huán)氧防腐材料進(jìn)行配比試驗以測試材料的防護(hù)效果。試驗將采用改性環(huán)氧樹脂作為涂層基料，其具有相對較好的防腐性、粘結(jié)性和變形協(xié)調(diào)性等[5-6]。其中，環(huán)氧樹脂與稀釋劑的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 環(huán)氧樹脂與稀釋劑的技術(shù)指標(biāo)

為提升材料的各項性能，試驗利用陶瓷類無機(jī)物、硫酸鋇、鈦粉以及納米氫化鈦等顏填料進(jìn)行改性。其中，硫酸鋇能夠在金屬表面形成一層鈍化膜，進(jìn)而使得透水率降低，達(dá)到很好的物理雙重防護(hù)效果。鈦粉能夠有效填補(bǔ)材料的結(jié)構(gòu)微孔，從而達(dá)到降低防護(hù)涂層滲透性的效果。同時研究運(yùn)用超聲波球磨法接枝改性技術(shù)對環(huán)氧樹脂和納米鈦進(jìn)行接枝處理，并按比例其他助劑混合以形成納米鈦復(fù)合重防腐涂料。此外，試驗將陶瓷類無機(jī)物與樹脂單體鍵合相結(jié)合制成了多官能團(tuán)有機(jī)樹脂成膜物，同時連同其它助劑一起按照比例混合生成陶瓷防腐抗沖磨涂料[7]。另外，試驗選取了3種固化劑作為配備組分，其中包括1085A、1085NH以及復(fù)合2。確定好了試驗的材料，接著需要選用合適的實驗設(shè)備，防腐蝕材料性能試驗配備的設(shè)備見表2。

表2 防腐蝕材料性能試驗設(shè)備

由于底層涂膜直接與金屬結(jié)構(gòu)接觸，其粘結(jié)性能直接關(guān)乎到涂層的防護(hù)效果，而面層涂膜容易受到外界固體顆粒的磨損以及腐蝕性物質(zhì)的腐蝕，并且直接影響到金屬結(jié)構(gòu)的外觀。因此，試驗設(shè)計了雙重防護(hù)結(jié)構(gòu)，將陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面層涂料，并以納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底層涂膜[8]。研究綜合考量涂層的粘結(jié)性、抗沖磨性、耐腐蝕性以及耐久性等，結(jié)合不同種類的固化劑配比，設(shè)計出了相對完善的復(fù)合防護(hù)材料試驗方案，具體方案見表3。

表3 復(fù)合防護(hù)材料的試驗搭配方案

1.2 試驗方法及性能測試

研究將對配備的金屬防護(hù)涂層材料進(jìn)行一系列的性能測試，包括耐候性試驗、抗沖磨性能測試、柔韌性測試、耐水性測試、耐鹽霧性測試以及附著力測試。耐候性測試能夠?qū)Ψ雷o(hù)材料在光照與濕潤環(huán)境下的抗老化能力進(jìn)行測試，研究選用尺寸為150mm×60mm×0.3mm的馬口鐵板當(dāng)作實驗底材，先采用砂紙打磨鐵板表面，再使用丙酮對表面進(jìn)行擦拭，然后將配備的防護(hù)涂層材料均勻地涂抹馬口鐵板表面，最后在設(shè)定的實驗環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d。研究主要通過紫外線加速耐候試驗箱對材料進(jìn)行耐候性測試，試驗的程序設(shè)定為先在溫度為550℃的環(huán)境下進(jìn)行8h的紫外輻射，接著再冷凝4h并淋雨20min，重復(fù)以上操作80次后將馬口鐵板取出并觀察涂層是否存在剝落與起泡等現(xiàn)象[9]。此外，抗沖磨性能測試主要是為了測試外層涂膜的長期防護(hù)效果，實驗首先準(zhǔn)備的基底塊按水泥∶砂∶水泥=1∶0.6∶3配置，并選用內(nèi)徑為300mm，高為150mm的金屬圓模內(nèi)涂刷脫模劑，然后將配置的水泥采用分層的方式倒入圓模中。接著用實驗器材將表面的空氣排出并把多余的水泥抹平，試驗一共制備3個圓模，靜置24h后拆模，并在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)30d以上。隨后使用手磨機(jī)對基底塊上表面進(jìn)行打磨，同時在基地塊的表面涂抹配制的底層涂層材料，當(dāng)出現(xiàn)待拔絲現(xiàn)象后繼續(xù)涂抹面層涂料，涂層的總厚度控制在1～1.5mm[10-11]。最后在養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7d，并放入水中浸泡48h，抗沖磨性能測試的具體流程如圖1所示。

圖1 抗沖磨性能測試流程

耐水性測試主要是評估涂層材料的耐水能力，試驗選用的底材是尺寸為150mm×60mm×0.3mm的馬口鐵板，將其打磨后均勻涂上配置的防護(hù)涂層材料，一共制作了3個試件并在養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7天。在測試時，先將馬口鐵板放入裝有純凈水的容器內(nèi)水位在試板的2/3位置，接著浸泡7d后取出[12-13]。耐鹽霧性測試中，先在試驗件的測試面劃出2道劃痕，接著使用鹽霧試驗機(jī)進(jìn)行測試，試驗溫度為350℃，同時用50g/L的NaCl溶液進(jìn)行噴淋，試驗時間為300h。測試完畢后，觀察涂層劃痕周圍的銹蝕程度[14]。柔韌性測試主要為了測試防護(hù)涂層的抗開裂性，試驗選用軟鋁板作為試驗底材，其尺寸為150mm×50mm×0.2mm，試驗先對其進(jìn)行打磨并用丙酮進(jìn)行清洗，再將配制好的涂層材料均勻涂抹在底材表面，涂層厚度為100±15μm，接著在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7d。在試驗測試中，先將試驗材料圍繞漆膜彈性試驗儀的軸棒勻速彎曲180°，再取下觀察涂層是否存在裂紋，如果尚未出現(xiàn)裂紋則繼續(xù)采用下一根軸棒測試直到涂層開裂。然后記錄當(dāng)前導(dǎo)致開裂的軸棒直徑，具體的測試過程如圖2所示。

圖2 柔韌性測試過程

附著力測試主要評估涂層材料的粘結(jié)性能，試驗使用的底材是噴砂鋼板，其尺寸為150mm×60mm×0.3mm，試驗先將鋼板表面清洗干凈，再將準(zhǔn)備好的涂層材料均勻地涂抹在底材表面，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d。在測試前一天，先在鋼板的涂層上切割出4個直徑為20mm的圓形拉拔區(qū)，再使用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)膠將拉拔區(qū)與20mm的錠子粘結(jié)緊密，并靜置24h。測試時先將數(shù)顯拉開法附著力測試儀的套筒安裝在儀器的錠子上，接著下壓壓桿將錠子勻速拉升至涂層與鐵板脫離，然后讀取測試儀的粘結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)并記錄被測涂層破壞情況。

2 試驗結(jié)果與分析

為驗證不同固化劑與底涂和面涂的配合對防護(hù)涂層各個性能的影響效果，試驗采用了5種不同的組合方式進(jìn)行性能測試。其中，組合方式見表4。

表4 不同固化劑與底涂和面涂的搭配方案

由于水流和砂粒首先會對涂層表面造成破壞，因此抗沖磨試驗的作用面設(shè)為基地塊的表面涂層。結(jié)果顯示組合1的磨損量最小，僅為8g，相比于其余兩種組合分別降低了2、12g。同時組合1的抗沖磨強(qiáng)度比其余兩種組合更高，且高達(dá)636.48h/(kg/m2)，相比于組合2、組合3，分別提升了129.07、381.7h/(kg/m2)，說明按照組合1的比例配備的防護(hù)涂層材料抗沖磨性能最佳，能夠很好地抵御水流及泥沙的沖蝕破壞。

試驗分別對5種組合進(jìn)行4次附著力測試，并選取有效的試驗數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，對于面涂材料，相比于組合2，組合1的有效平均附著力強(qiáng)度提升了0.38MPa，且達(dá)到了10.21MPa，同時其破壞狀態(tài)均為正常破壞。而組合3的防護(hù)涂層的附著力有效平均強(qiáng)度高達(dá)15.02MPa，但其破壞狀態(tài)全為非正常破壞，說明該組合的涂層和錠子之間的粘結(jié)強(qiáng)度小于基材和固化涂層之間的附著力。就底涂材料而言，組合5的防護(hù)涂層附著力強(qiáng)度更高，其有效平均強(qiáng)度比組合4高了0.44MPa。

圖3 不同組合的附著力測試結(jié)果

綜合耐候性、抗沖磨性以及附著力檢測結(jié)果，試驗確定選取納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底涂材料，并采用1085A作為固化劑，兩者的配置比例為4∶1。同時，將陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面涂材料，并選取1085NH作為固化劑，兩者配制比例為100∶8。根據(jù)此配方配制的復(fù)合防護(hù)涂層的綜合防護(hù)性能測試結(jié)果見表5。由表5可知，該防護(hù)材料的耐鹽霧性、柔韌性以及附著力均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明該防護(hù)涂層材料具有十分優(yōu)異的性能，能夠滿足實際的防腐蝕需求。

表5 復(fù)合防護(hù)涂層的防護(hù)性能試驗結(jié)果

為進(jìn)一步探究該復(fù)合防護(hù)材料的防護(hù)性能，研究設(shè)計了模擬防護(hù)涂層涂裝試驗，觀察面涂與底涂的參數(shù)隨一次混合量與溫度的變化情況，并分析涂層的厚度與流掛性之間的關(guān)系。試驗先對尺寸為200mm×80mm×10mm的圓柱形底板進(jìn)行預(yù)處理，其中包括脫漆、打磨和清潔，然后使用油漆對底板進(jìn)行區(qū)域劃分。接著在不同的溫度下，將防護(hù)材料涂抹到劃分好的區(qū)域中，并使用實驗工具記錄每個步驟的時間、材料混合量以及環(huán)境溫度等參數(shù)。另外，試驗使用涂層測厚儀對固化后的涂層厚度進(jìn)行測量。其中，時間參數(shù)測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，底層涂料在溫度為10～20℃、一次混合量為200～500g時的可操作時間以及表干時間更符合實際需求。同時，涂層材料的表干時間與可操作時間隨溫度的升高而降低，且一次混合量越多，溫度上升越迅速，從而導(dǎo)致可操作時間急劇下降。因此，底涂材料的最佳施工溫度為10～20℃，并且一次混合量應(yīng)該控制在800g以內(nèi)。而面涂材料在溫度為10～20℃、一次混合量為200～500g時的可操作時間以及表干時間相對較長，因此在溫度合適的環(huán)境中可以適當(dāng)增加一次混合量以加快其反應(yīng)速度。

圖4 底涂與面涂的時間參數(shù)測試結(jié)果

固化涂層厚度對流掛程度的影響效果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)?shù)淄客繉雍穸炔怀^100μm、面涂涂層不超過200μm時，不會產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，但對于基材的防護(hù)效果無法得以保證；當(dāng)?shù)淄客繉雍穸瘸^100μm、面涂涂層超過200μm時，將發(fā)生明顯的流掛現(xiàn)象，同時可以看到當(dāng)?shù)淄客繉雍穸瘸^250μm、面涂涂層超過500μm時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的流掛現(xiàn)象。因此，綜合考慮材料的美觀性以及基材的防護(hù)效果，建議工程的底涂涂層厚度控制在100～200μm，面涂涂層的厚度控制在200～300μm。

圖5 涂層厚度對流掛程度的影響效果

3 結(jié)語

針對水工建筑的金屬部件容易出現(xiàn)腐蝕、磨損等病害問題，研究選取納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底涂材料，并與1085A固化劑按4∶l的比例配置。同時，選用陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面涂材料，并與1085NH按照100∶8的比例配制。結(jié)果顯示，該材料的底涂柔韌性不超過1mm，面涂柔韌性不超過1.5mm。此外，底涂材料的最佳施工溫度為10～20℃，且一次混合量應(yīng)該控制在800g以內(nèi)，并且底涂涂層的最佳厚度為100～200μm，面涂涂層為200～300μm。說明研究采用的復(fù)合防護(hù)涂層材料能夠起到很好的應(yīng)用效果。但試驗只進(jìn)行了耐候、耐鹽霧和附著力等單一環(huán)境下的性能測試，因此有待探究多因素共同影響下的材料防護(hù)性能。