金属处于不稳定状态会发生腐蚀现象, 采用防腐蚀涂层是最有效、最经济、应用最普遍的方法, 本文介绍了金属发生的电化学腐蚀反应现象。目前对涂层防护机理的研究现状及评定涂层防腐性能的方法, 指出涂层防护机理的深人研究, 对研制性能更优的防腐蚀涂料和涂装技术具有重要指导意义。

金属、混凝土、木材等受到周围环境介质的化学作用或电化学作用而损坏的现象称为腐蚀, 研究腐蚀主要对象是金属, 因为金属腐蚀造成经济上巨大损失。如全球每年因腐蚀造成的金属损失量高达全年金属产量的20% -40% , 据世界上发达国家调查统计, 每年由于金属腐蚀造成的直接损失约占国民经济生产总值的1.5% —4.2 % ; 在中国, 由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300 亿元以上, 占国民生产总值的4%。 

防止金属腐蚀方法很多, 如选用耐腐蚀合金、电镀和阴极保护等方法, 但工程造价将大幅度上升, 经济上不合理。世界各国防腐蚀实践证明: 涂料涂层防腐蚀是最有效、最经济、应用最普遍的方法。

一、金属腐蚀

钢铁等金属材料容易发生腐蚀的基本原因是将铁矿石冶炼成钢需消耗大量的能量, 此能量潜伏在钢铁中(元素态), 钢铁等金属材料随时随地有恢复至其原始化合物( 矿石) 状态的倾向而释放能量, 这是化学热力学自发的过程, 这样就发生了腐蚀, 所以矿石类化合物是稳定态, 而钢铁处于不稳定态。钢板导致发生腐蚀的电池反应如下:

阳极 Fe=Fe2++2e
      阴极2H++2e =H2   (酸性溶液析氢反应) (1)
      O2+4H++2e = 2H2O（酸性溶液氧还原反应） (2)   
      O2+2H2O+4e=4OH-(中性或酸性介质中的氧还原反应) (3)

如果没有氧气存在,钢铁发生的电池反应会很快结束,这是因为在阴极区的H+会被耗尽, 产生阴极极化;在阳极区由于Fe2+的积累而产生阳极极化。但是在有氧气存在的条件下, 阴极处会发生。3 式的氧还原反应,这样阴极反应不再与[H+]有关,腐蚀反应可以继续进行下去。

1式是用酸性介质浸渍钢板时发生的析氢反应,这种情况较危险, 需选择耐酸等高性能树脂并在涂装时要仔细慎重,防止个别毛孔漏涂。3式对防腐蚀涂料来说是最重要的反应, 在一般大气和海洋环境下的腐蚀均属此类。由于在阴极部位会产生碱性的OH-离子, 会使油脂型、醇酸型漆膜皂化剥离。

二、防腐涂料层的防腐机理

防腐蚀涂层所以能保护钢铁起到防腐蚀作用,人们认同的主要是因为以下三种作用:

01 屏蔽作用

涂料漆膜层的屏蔽作用在于隔离被保护基体与腐蚀介质的直接接触。如果防止金属表面被腐蚀,就必须要求漆膜层能阻止外界环境与金属表面的接触,从而达到防腐效果。

02 缓蚀钝化作用

借助涂层中含有的防锈颜料, 在溶液中解离出缓蚀离子, 使基体表面钝化, 抑制腐蚀进程。当金属表面氧气浓度超过一定量时,可将金属表面发生氧化反应所生成的Fe2+氧化成Fe3+,Fe3+` 再同金属表面发生还原反应所得到的OH-反应,形成Fe(OH)3 沉淀而沉积在金属表面形成致密层, 阻止了进一步腐蚀, 这叫做钝化。

03 牺牲阳极保护作用

考虑到电化学腐蚀因素, 在涂料中加人一些比被保护基体更活泼的金属粉( 电极电位比被保护介质高), 如锌粉作填料, 当电解质渗人到被防护金属表面发生电化学腐蚀时, 涂料中的金属就作为牺牲阳极而被溶解, 使得基体金属免遭腐蚀。

评定有机涂层防腐性能的方法

目前除广泛采用的常规测试方法, 如盐雾试验、湿热试验、浸渍试验和耐侯试验外, 还采用直流电化学测试、交流阻抗谱法、电化学噪声法、氢渗透电流法等。下面分别介绍。

01直流电化学法

涂层钢板防腐蚀性的直流电化学法测试法分为电位/ 时间法、直流电阻法、极化曲线法和极化电阻法等。这些方法主要用在实验室研究中, 并不适宜用来评定涂层钢板的耐蚀等级。

02 交流阻抗谱法(EIS )

上述直流电化学法测试法是迫使离子以一种方向透过漆膜,这样会引起涂层钢板腐蚀加速或减速, 而交流阻抗谱法避免了此缺陷, 使用交流阻抗谱法可以得到涂层在不同交流频率下的阻抗和电容值, 以及涂层下金属界面的信息。

03 电化学噪声法( ENM )

电化学噪声法是通过测量工作电极和参比电极之间或两个相同电极之间产生的自发电流和( 或)电压波动来分析、评价涂装金属防腐性能的方法。

04 氢渗透电流法

氢渗透电流法是由日本大阪府立大学山川宏二教授等人发明,它应用涂层下阴极还原反应产物氢的渗透原理, 通过测量氢的渗透量和变化规律,可确定涂层下腐蚀反应过程的难易程度, 进而评价涂层耐蚀性和耐剥落性。

四、结论

随着新型分析仪器和技术的出现,目前除了可以用上述方法进行观察和测量外,近年来也有用EDxA (能散X射线分析)、扫描电镜(SEM) 和原子力显微镜(AMF) 谱等对漆膜下金属表面层的变化进行深入的研究。对防腐蚀涂层防腐机理的深人探讨, 有助于我们研制更理想的防腐蚀涂料及涂装技术

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