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      影響有機涂層老化的主要因素及實驗室模擬老化試驗方法

      文章出處:   責任編輯:   發布時間:2020-09-12 14:40:00    點擊數:-   【

      金屬材料在大氣環境中受到各種環境因素的作用而發生腐蝕,為了避免或者緩解金屬的腐蝕,人們廣泛采用涂層體系來控制腐蝕,提高金屬/涂層體系的日歷壽命和使用壽命。有機涂層在正常的使用過程中,一般直接暴露于自然環境下,不但在物理因素(太陽光和溫度)和化學因素(空氣中O2、O、水、酸、堿、鹽和有機溶劑)作用下發生老化,而且在生物因素(微生物、霉菌)作用下也能導致老化。有機涂層老化后,外觀表現為失光、變色、粉化起泡、生銹、長霉、斑點、泛金、脫落、沾污等,實質表現為阻擋、電化學(緩蝕或陰極保護)和沾接性等幾種性能的喪失。因此必須對最經濟、有效和廣泛被用作防腐蝕手段的有機涂層進行環境失效的研究,分析其失效規律,同時進行試驗室模擬加速老化方法的研究,對涂層進行加速試驗評價,這對于發展新型涂層以及評價涂層的環境適應性具有重要的意義。

      影響有機涂層老化的主要因素及實驗室模擬老化試驗方法

      1.1輻射一光老化試驗方法

      到達地面的太陽光所含紫外線一般具有能量為314kJ/mol ~419kJ/mol ,而大部分聚合物的各種化學鍵離解能為200kJ/mol~500kJ/mol。因此紫外線的能量足以破壞有機涂層的化學鍵,引發涂層的自動氧化反應造成老化分解。紫外線對有機涂層降解過程分為光物理過程和光化學過程。光化學過程中的光分解和光氧化作用最后導致有機涂層主鏈斷裂、過氧化物出現和親水性的小分子產生。為了模擬太陽光對有機涂層的影響,在實驗室中采用熒光紫外設備老化、氙弧燈老化設備以及循環老化的方式對多種類型的涂層進行光老化試驗。

      因為紫外線是涂層老化的主要因素,因此對涂層的光老化研究主要集中在紫外光老化研究1-41。主要是采用不同的紫外光老化設備對環氧涂層、醇酸涂層、聚氨酯涂層、PVC涂層等涂層種類進行紫外光老化研究,發現紫外線主要使涂層中的CI-N鍵、C-O鍵、C=C鍵、C-CI鍵、C-H鍵和C-N鍵發生斷裂生成自由基,如果有氧存在,則發生自動氧化反應。溫濕度試驗箱-瑞凱儀器

      1.2 溫度一高溫試驗熱試驗方法

      是促進有機涂層老化的-一個重要環境因素,它影響化學反應的速度、添加劑的擴散速率,隨著溫度的升高會使分子的熱運動加速,從而引起某些高聚物發生降解與交聯,溫度每升高10C反應速率提高2~3倍。在熱和氧共同作用下,有機涂層發生熱氧老化過程,往往是降解與交聯相互競爭的過程。另外,隨著溫度的升高會使分子的熱運動加速,從而引起某些高聚物發生降解與交聯,并且溫度的改變會導致涂層的收縮或膨脹,因而加速了涂層的脫粘、開裂、脫落等老化現象。熱老化是研究涂層老化的主要的加速老化方法。

      多位研究者對比了不同老化溫度對環氧酯涂層、PVAC涂層、環氧涂層老化性能變化的影響,表明老化溫度越高,涂層性能變化越明顯。研究了老化時間對PAA涂層、植物油混合涂層內部結構的影響,表明認為在熱老化的前期,涂層存在后固化的過程,即在高溫老化的前期階段,老化過程實際是分子鍵的破壞與進一步發生交聯反應之間的一個相互競爭的過程,但是以分子鍵的交聯反應為主;在老化的后期階段,主要表現為分子鏈的斷裂,因此涂層性能下降。并且研究了長期性熱對有機涂層物理:老化的影響,認為當溫度從高于玻璃化溫度下降到低于玻璃化溫度時,有機涂層體積處于非平衡態值,最后涂層的性能如機械性能、熱性能和絕緣性能發生變化,即發生了物理老化。

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      1.3水一濕熱老化試驗方法

      空氣中濕氣、雨、雪、露等以物理或者化學等各種形式在戶外的涂層表面形成- -層水膜。只要有水存在有機涂層表面,隨著時間的推移,水通過涂層的各種缺陷(孔隙、裂紋、雜質等)進人涂層內和涂層下,使有機涂層膨脹、收縮,并最終導致涂層應力變化、出現應力裂紋、涂層脫落等現象。在高溫下,水汽對有機涂層的滲透能力增強,能夠滲透到涂層體系內部并積累起來形成微小的水泡。同時,水的滲人可以導致涂層體系內其他可溶添加劑的溶解、抽出或遷移,從而使物理力學性能發生改變。部分有機分子中存在容易被水攻擊的鍵(-NH-CH2-.-CH = 0.-CH2-0-CH2-),在水存在下還會發生水降解,生成小分子產物,即有機涂層腐蝕。我們通過濕熱試驗考察涂層的耐水性和水汽滲透性。

      濕熱老化試驗控制的主要技術條件是汽滲透性。濕熱老化試驗控制的主要技術條件是溫度和相對濕度,它直接影響到涂層的老化速度。通過研究濕熱老化對膨脹型防火有機涂層隔熱性能的影響,表明涂層中的親水性鏈段不斷的遷移到涂層表面,并被空氣中的水分溶解,經過42個循環濕熱老化(相當于暴露于自然環境中20)后,涂層的耐熱性能反而提高了50%~100%。通過研究濕熱老化對聚乙烯和環氧樹脂復合涂層在缸體結構上附著力的影響,表明濕熱老化之后水分滲入涂層,因此其附著力下降,并且隨著老化時間的延長,附著力下降越明顯,老化2個月之后發現明顯降解現象,出現了涂層裂縫。

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      1.4 污染物-鹽霧老化試驗方法

      由于有機涂層微觀缺陷的存在,在涂層中形成了長徑比很大的腐蝕通道,海洋大氣中的水、電解質等半徑較小的分子可以通過這些通道擴散到涂層/基體的界面區域,形成微觀腐蝕原電池,進而使得基體發生腐蝕。鹽霧試驗被認為是評定與海洋氣氛有密切關系的有機涂層防護性能最經典、最有效的方法。鹽霧試驗可能對涂層產生的環境效應為:導致涂層起泡、附著力下降,甚至使隱身涂層的隱身性能產生波動。通過檢測不同大氣環境中曝曬后丙烯酸聚氨酯涂層的耐鹽霧腐蝕性來評價不同地區涂層自然老化程度,認為涂層在不同地區自然老化后,耐鹽霧老化性能差異明顯。對新型環氧富鋅環氧鐵紅環氧云鐵等有機涂層材料在鹽霧環境下的腐蝕防護性能進行了研究,表明有機涂層在鹽霧環境下的失效機理為犧牲陽極,陰極保護。鹽霧對不同配比PET-EMAA有機涂層劃痕后的耐腐蝕性能,表明鹽霧試驗能夠很好的區分不同配比涂層對其防腐性能的差別,隨著鹽霧時間的延長出現了起泡、開裂、生銹等宏觀腐蝕現象。

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      1.5 綜合因素—循環試驗方法

      涂層體系在實際使用過程中受到的是包括高溫、低溫、紫外、水浸、濕熱和介質在內的復雜環境因素的綜合作用,因此對涂層體系的加速老化試驗可以把綜合環境因素考慮在內,實現對真實環境的模擬,即循環老化試驗。結合我國海洋、沿海、濕熱、高原等地區的典型環境,通過循環老化綜合試驗,建立環境試驗譜,在實驗室模擬濕熱、紫外光驗,建立環境試驗譜,在實驗室模擬濕熱、紫外光照、鹽霧海水、深海壓力以及季節變換等因素對涂層性能的影響。合理環境試驗譜的提出為腐蝕條件有機涂層壽命評定提供了重要的依據。

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      1.6其他環境試驗方法

      其他試驗方法主要根據涂層的具體使用環境進行有機涂層的耐介質試驗、生物污染試驗以及機械應力試驗,由于試驗條件限制,目前這些試驗還進行的比較少。SharminaE.]等研究了環氧樹脂植物油混合涂層浸泡于三乙胺、氯化鈉溶液、氫氧化鈉溶液、二甲苯、以及水中的性能變化,結果表明涂層具有良好的耐介質性能,接著研究了環氧樹脂植物油混合涂層的抗菌性能,表明涂層具有較好的抗大腸桿菌的性能,對抗葡萄球菌的能力稍差。

      1.7自然環境老化試驗方法

      有機涂層的自然環境試驗能夠比較真實地反映涂層材料在實際使用環境中的老化性能,包括大氣環境試驗和自然環境加速試驗。大氣環境試驗是將涂層體系暴露于典型的自然環境中進行試驗,主要有外戶外暴露、棚下暴露、戶內儲存,典型環境下對涂料進行露天暴露試驗是常用的自然老化試驗方式,在我國的沿海、高原、濕熱以及內陸重工業等典型環境地區,學者們進行了較多的有機涂層大氣暴露試驗。為了評定內陸工業污染區大氣對涂層的腐蝕作用,研究了武漢的大氣環境對丙烯酸聚氨酯涂層耐蝕性能的影響,表明在層老化方法主要是評估有機涂層的宏觀性能,如包括失光、粉化、失色、生銹、開裂和裂紋在內的外觀變化 微觀分析要全面描述有機涂層的信息和性質,需要從宏觀到微觀按不同層次對涂層進行分析研究。

      造成有機涂層老化、失效的主要環境因素有太陽光、氧氣、高溫、鹽霧、降水、污染物等,通過各種環境試驗可以模擬這幾種因素的作用過程,通過對老化前后的涂層進行計數表征,然后對結果進行評價,可得出涂層的環境適應性情況,為設計、研制部門提供參考。

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