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铁锈转化剂防锈机理研究_带锈涂料-论文网

时间:2014-12-31  作者:李振华,范细秋,余永群

论文摘要:钢铁的除锈处理是涂装工艺的重要组成部分,对防腐蚀涂装的成败起着决定性的作用。本文主要从锈蚀产物的生成,分析了两种不同转化剂对锈蚀产物转化的作用机理,并对铁锈转化剂的应用和发展趋势作了简要的概括和展望。
论文关键词:铁锈转化剂,带锈涂料,防腐

0.引言

随着现代工业的飞速发展,钢铁材料的防腐工作越来越引起各方面的重视。为了保护钢铁不受腐蚀,延长其使用寿命,对钢铁进行防腐蚀涂装成为一种最经济和有效的方法。为了获得优良的耐腐蚀性能,涂装前必须把钢材上的铁锈清除干净,否则会由于铁锈的不断膨胀导致漆膜和防腐效果很差,因此,钢铁的除锈处理是涂装工艺的重要组成部分,对防腐蚀涂装的成败起着决定性的作用。但是许多大型建筑、桥梁、船舶等复杂的钢结构构件在维修过程中由于受施工条件的限制,难以采用机械化施工方法,只能采用手工或电动工具进行除锈,其结果必然有铁锈和各种腐蚀产物的残留,导致除锈质量难以得到保证、施工艰难、费用巨大。同时,由于安全、环境保护和劳动保护方面的原因,除锈涂料向着高性能、施工方便、高效、符合环保要求的方向发展。

带锈涂料根据其与钢铁锈蚀结合方式的不同,可分为转化型、稳定型、渗透型3种。其中转化型带锈涂料由于具有除锈效果好、对钢铁表面无害、有保护作用的特点,正被越来越多的采用。这类转化型带锈涂料所用转化剂主要有亚铁氰酸和丹宁酸等。本文主要从锈蚀产物的生成,阐述两种不同转化剂锈蚀转化机理,最后对铁锈转化剂的应用和发展趋势作了概括和展望。

1.锈蚀生成过程

钢铁是热力学性质不稳定的结构材料,因此在其表面构成一个活性表面,暴露在空气中受到氧气、水分及其他腐蚀介质作用必然发生腐蚀,转化成铁锈。铁锈疏松多孔,不仅不能阻止钢铁构件与空气和水的接触,还会把空气和水分保留在钢铁构件的表面,进一步加速钢铁的锈蚀。同时,铁又是一个多化合价的金属,从钢铁腐蚀起,它由低价的铁变成稳定的高价化合物。由于铁锈生成过程是持续和不断进行的,所以,铁锈实际上是一个复杂的铁化合物。

铁锈生成过程实际上就是钢铁的电化学腐蚀过程。钢铁在潮湿空气里,其表面因吸附作用而覆盖一层极薄的水膜、水微弱电离产生少量H和OH,同时由于空气中CO的溶解,水里H增多,这样表面就形成了一层弱酸性电解质溶液薄膜,它跟钢铁里的铁和杂质或碳就形成了无数微小原电池。其中铁为负极,碳为正极,发生原电池反应。

铁作为负极失去电子被氧化:(-)Fe-2e=Fe

水膜里溶解的氧气作为阳极得到电子被还原:(+)2HO+O+4e=4OH

随着OH浓度逐渐增大,则OH与Fe结合生成Fe(OH)。Fe(OH)被空气中氧所氧化生成氢氧化铁:4Fe(OH)+O+2HO=4Fe(OH)

空气中的二氧化碳跟氢氧化铁反应,就生成红褐色的碱式碳酸铁。此外,铁与空气中的氧气反应还生成氧化铁,这些铁的化合物就是铁锈的主要成分。

从锈蚀表观层次来看,分三层:面层浮锈,中层粒锈,底锈。上层的锈蚀较疏松,是已成熟、惰性的物质,底层锈蚀较紧密,是正在成长的、活性的,它紧靠钢铁表面呈群落分布。在疏松、惰性的浮锈上涂漆,由于很难起反应,涂漆得不到良好的附着;然而去除浮锈在底锈上涂漆,由于它是活性的,碰到水、氧等介质又会继续反应,即穿过漆膜再次呈现锈蚀。因此,为了使铁锈转化剂发挥更好的效果,减少浪费,降低成本,在涂覆时应首先去除上层疏松的锈蚀(浮锈),然后再将其涂覆在底层的锈蚀上,这样可以使锈蚀呈稳定状态并相互有很好的附着,从而达到良好的防锈除锈作用。

3.锈蚀转化机理

转化型带锈涂料是利用能与铁锈起化学反应的转化剂,将铁锈转化为结构稳定致密的铁合化物,这种化合物没有去极化作用,可紧密地附着在钢结构表面,又可与耐蚀涂层良好键合,而成为耐蚀涂层与钢结构表面间接偶联物。根据转化型带锈涂料所用转化剂的不同,锈蚀转化机理也不同。常用的转化剂有磷酸-亚铁氰酸及磷酸-丹宁酸等。

磷酸-亚铁氰酸型转化剂与铁锈起反应包括两个过程:

(1)亚铁氰酸与铁锈起作用,生成亚铁氰酸盐

(2)磷酸与铁锈发生反应,使钢铁表面钝化

如以铁锈中的为例,亚铁氰酸与其反应生成亚铁氰酸铁:

该反应在碱性或中性条件下速度很慢,在带锈涂料中加入磷酸可显著加快反应速度;此外磷酸可直接与铁锈发生磷化反应,生成稳定致密的磷化铁:

如国内研制的H06-18就是亚铁氰化钾与磷酸组成的转化型带锈涂料,作为舰船、化工设备及重型机械行业钢结构表面除锈和耐蚀底层涂料,已得到推广使用。

磷酸-丹宁酸型的作用机理是丹宁酸与钢铁表面及锈层中的铁离子作用生成丹宁酸铁的钝化层(稳定的螯合物),强有力地附着在金属表面,形成一种良好的不溶性保护膜,抑制腐蚀过程,达到稳定铁锈的目的;同时,磷酸能加速丹宁酸铁络合物的形成,具有防锈作用。此外,磷酸直接与铁锈反应生成耐腐蚀的磷酸盐及钝化膜,它能使膜层附着牢固,具有阴极化和阻蚀钝化作用。

3应用与发展趋势

转化型带锈涂料可用于铁锈层较厚的表面,转化速度快,但由于本身呈酸性,对其后的配套面漆有一定的破坏作用,因而要求配套面层涂料耐酸。

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