海洋大气环境对聚脲涂层耐腐蚀性影响的研究
李海扬，孟 浩，谢远伟，黄微波 （ 青岛理工大学功能材料研究所，山东青岛 266033）
由表3 可见：随着户外曝晒实验时间的延长，聚脲涂层的吸水率增加，但增幅较小。聚脲涂层经喷枪喷涂成形时，在空气中呈雾状，必然裹挟一些空气，到达基材表面后由于反应迅速、固化快速，涂层内部不可避免地形成大量微小孔隙，因此涂层老化前具有一定的吸水性。但随着实验时间的延长，360 d 后涂层吸水率仅上升了0.71%，因此涂层老化程度非常小，耐老化性优异。同理进行QUV 加速老化实验，分别测定实验前及实验时间达到360 h、720 h、1 440 h、2 400 h、3 600 h、5 000 h、6 000 h 和7 200 h 时聚脲涂层的吸水率，结果如表4 所示。
0 引言
海洋大气环境中盐雾含量较高，相对湿度较大，因此海洋大气中的钢铁表面很容易形成含有杂质和海盐粒子的电解质水膜，加速了钢铁表面腐蚀反应的进行。在钢铁表面涂装防腐涂层，能有效隔绝水膜和其他腐蚀性介质与钢铁表面直接接触，减缓其腐蚀速度。
聚脲是一种新型绿色重防腐材料，与传统的重防腐涂料相比，其自身的性能、防腐效果、耐蚀性、经济性和施工性等方面都有一定的优势。本文通过海洋大气环境对聚脲涂层耐腐蚀性影响的研究，得到聚脲涂层外观、吸水率、微观结构及附着力的变化规律，对指导工程实践、延缓海洋大气环境下钢结构腐蚀速度、保证其服役寿命和提高安全性均具有深远的现实意义与社会意义。
1 实验部分
1 实验部分
1.1 仪器设备
ATLAS 公司的UVCON 型紫外光加速老化试验箱，PosiTest AT 型附着力测试仪，ULTRA-55 型扫描电子显微镜。
1.2 试验方法
1.2.1 光泽度
将聚脲喷涂在经基材处理的钢板上，控制厚度约为1 mm，在标准实验室环境下养护7 d 后，先定点测定其光泽度，再进行户外曝晒实验和QUV 加速老化实验，选取不同的老化时间点，分别测定其定点光泽度。
1.2.2 吸水率
参照HG/T 3856—2006《绝缘漆漆膜吸水率测定法》测定聚脲涂层的吸水率。再对试样进行户外曝晒实验和QUV 加速老化实验，采集各个老化阶段的吸水率实验数据。
1.2.3 SEM 分析
对试样养护之后，进行户外曝晒实验和QUV 加速老化实验，分别对曝晒前、户外曝晒360 d 后和QUV 加速老化7 200 h 后的试样进行SEM（扫描电子显微镜）电镜观测，根据拍摄图像分析聚脲涂层的耐腐蚀性。
1.2.4 附着力
先对若干Q235 钢板进行打磨、喷砂处理，直至银白色金属光泽显现，再分别刷涂环氧底漆，后喷涂聚脲涂层，涂层厚度约为1 mm。将一组样板进行户外曝晒实验，当时间达到15 d、30 d、60 d、90 d、150 d、210 d、270 d 和360 d 时，通过拉开法测定附着力；将另一组样板进行QUV 加速老化实验，分别测定360 h、720 h、1 440 h、2 400 h、3 600 h、5 000 h、6 000 h 和7 200 h 时的附着力，并与实验前的附着力数据进行对比。
2 实验结果与分析
2.1 光泽度的结果分析
对于有装饰性要求的工程，对防护涂层的光泽度要求较高，要求涂层能在服役环境中长时间保持颜色鲜亮，而聚脲材料并不以装饰性见长。对喷涂有1 mm厚聚脲涂层的钢板进行定点光泽度测定，再进行户外曝晒实验，在第7 d、15 d、30 d、60 d、90 d、120 d、150 d、240 d 和360 d 时，分别测定其定点光泽度，实验结果如表1 所示。
对比实验前后涂层的表面光泽发现：实验15 d 后涂层光泽保持较好，仍能达80 以上；30 d 后涂层表面光泽下降幅度较大；90 d 后涂层表面开始产生黄变现象，表面颜色发生明显变化；360 d 后涂层表面黄变较为严重，光泽度较低，失光严重。聚脲涂层经QUV 加速老化实验后的光泽度变化如表2 所示。对比实验前后光泽度数据及涂层表面颜色变化，发现涂层光泽度下降速度快、幅度大。实验进展至1 440 h 时，涂层表面光泽度较低，局部由红色转变为黑色；2 000 h 时，涂层已基本失光，光泽度已可忽略不计，变黑部分面积增大；3 600 h 时，涂层表面大部分均已变黑，无法再测得其光泽度。
2.2 吸水率的结果分析
分别在实验前和户外曝晒15 d、30 d、60 d、90 d、150 d、210 d、270 d 和360 d 时，进行吸水率的测定，结果如表3 所示。
由表4 可见：聚脲涂层吸水率随QUV 加速老化实验时间的延长而逐渐增大，前期增幅缓慢，后期增幅较大。但7 200 h 后涂层吸水率相比实验前仅上升了1.38%，较低的吸水率有效保证了涂层的防腐性，因此涂层老化程度仍然较小，耐老化性优异。
2.3 SEM 实验结果分析
2.3 SEM 实验结果分析
采用SEM（扫描电子显微镜）方法，分别对实验前和户外曝晒360 d 后的试样表面及界面进行观测，对比分析实验前后试样形貌变化。
图1 反映了户外曝晒实验前后聚脲涂层表面形貌的变化，其中放大倍数均为1 000 倍。图1a 显示了实验前的涂层表面形貌，可以发现其表面较为致密，排列紧凑，无明显孔隙和裂纹，能有效延缓腐蚀介质对涂层的渗透。实验过程中，阳光辐射使涂层逐渐老化；涂层长期处于高湿环境，且在干湿循环、昼夜交替等共同作用下，涂层老化程度增加；再加上氯离子、水、氧对涂层的渗透，使其内部孔隙扩展、通道联通，涂层抗渗性下降。因此，在实验时间达到360 d时，聚脲涂层表面明显出现少量孔洞和大量微裂纹，如图1b 所示。
图2 是扫描电镜在放大至1 000 倍时所观测到的聚脲涂层与钢板的界面形貌变化情况。
户外曝晒实验前试样界面状况如图2a 所示，聚脲涂层紧密黏附在钢板基材上，形成较高附着力。同时也发现涂层断面有许多孔隙，这些孔隙的存在降低了涂层的致密度，便于水和氧等离子的渗透，不利于涂层性能的提升及对基材的保护作用。图2b 是试样户外曝晒360 d 后的界面形貌图，从中可见涂层与钢板基材界面处出现了一条缝隙，二者不再紧密结合，造成附着力的下降；涂层断面与图2a 中相比没有明显变化，涂层的破坏仅限于表面，内部的破坏并不明显，涂层性能虽有一定程度下降，但仍处于良好状态。
图3 是QUV 加速老化实验前后聚脲涂层表面形貌变化对比，放大倍数为1 000 倍。图3a 为实验前涂层表面形貌状况，其表面平整、致密，无孔隙、无裂纹，能有效延缓水对涂层的渗透。图3b 为7 200 hQUV 加速老化实验后涂层表面形貌，其表面遍布裂纹。在紫外光作用下，涂层表面老化程度较大，水能轻易通过这些裂纹进入涂层内部，内部孔隙也将扩展、联通。
QUV 加速老化7 200 h 后，采用剥离的方式将附着在钢板上的聚脲涂层拉开，再以该涂层制样并用扫描电镜观察涂层底面（与钢板接触的那一面），实验结果如图4 所示。
由图4 可见：涂层内部孔隙已扩展至底面。因此，水分子能直接到达涂层与钢板界面，加速了涂层的失效及钢板的腐蚀。SEM 实验结果表明：QUV 加速老化实验过程中，紫外光辐射使聚脲涂层表面部分化学键断裂、产生微裂纹、逐渐发生老化降解，并逐步向涂层内部扩展；涂层老化程度的加深加速了水分子的渗透，使其内部孔隙扩展；整个实验环境一直处于较高的温度下，对降解反应、渗透作用、氧化还原反应等起加速作用。
2.4 附着力分析
表5 是采用环氧类底漆时，户外曝晒对涂层体系附着力的影响结果。
由表5 可见：实验时间达30 d 时，涂层附着力几乎保持不变；60 d 后附着力开始明显下降；360 d 后附着力降至3.81 MPa，下降幅度在25% 以上，但仍能保持较高水平。
表6 是QUV 加速老化实验前及实验时间达到360 h、720 h、1 440 h、2 400 h、3 600 h、5 000 h、6 000 h和7 200 h 时，聚脲+ 环氧类底漆涂层体系与钢板基材的附着力实验结果。
由表6 可见：实验前期，附着力下降速度较慢，幅度较小；2 400 h 后，附着力下降速度增大，幅度较大；5 000 h 至7 200 h 期间，附着力下降速度减缓，幅度较小，终的下降率在45% 左右。
3 结语
在海洋大气环境下，腐蚀现象十分严重，造成巨大损失。聚脲涂层材料具有良好的耐腐蚀性，户外曝晒老化和QUV 加速老化对聚脲涂层的性能影响归纳如下：
（1） 户外曝晒360 d 后，涂层表面黄变、失光严重。QUV 人工加速老化3 600 h 后，聚脲涂层表面已经完全变黑，失光率达到100%。
（2） 户外曝晒360 d 后，吸水率仅增加了0.71%，QUV 人工加速老化7 200 h 后，吸水率也只增加了1.38%。可见在老化作用下聚脲涂层仍然致密。
（3） 户外曝晒360 d 后聚脲涂层表面形貌只出现少量的裂纹和孔洞，涂层与钢板的界面形貌无明显变化；而QUV 加速老化7 200 h 的聚脲涂层表面形貌裂纹明显，且破坏作用已经扩展到涂层底部，对钢板的结合界面产生影响。
（4） 户外曝晒360 d 后，涂层附着力下降25%以上，但仍保持在较高的水平；QUV 人工加速老化7 200 h，涂层附着力下降45% 左右。
以上结论表明，聚脲涂层在海洋大气环境中能够很好地保持自身结构不被破坏，对钢板具有优异的防护性能。
