输变电设备用水性涂层体系防护性能演变规律研究

Study on Protection Performance Evolution Law of Waterborne Coating for Power Transmission and Transformation Equipment

摘要

随着电力工业的快速发展，输变电设备的运行可靠性面临严峻考验。采用中性盐雾试验对由水性富锌底漆、水性环氧云铁中涂和水性聚氨酯面漆组成的水性防腐涂层体系的环境适应性与防护性能演变规律进行系统研究。结果表明：在整个盐雾试验周期内，该水性涂层体系的力学性能损失相对较小。经过1 000 h盐雾试验后，其拉开法附着力和涂层阻抗仍能达到7.2 MPa和10⁸ Ω·cm²，且涂层表面未出现起泡和开裂现象，仍然保持平整的表面。水性环氧富锌、水性环氧云铁以及水性聚氨酯面漆所组成的水性涂层体系展现出良好的配套性和环境适应性，可为输变电设备金属部件提供有效保护。

Abstract

With the rapid development of the power industry, the operational reliability of power transmission and transformation equipment is facing a severe test. The neutral salt spray test was used to study the environmental adaptability and protective performance evolution of a water-based anti-corrosion coating system. The system was composed of water-based zinc-rich primer, water-based epoxy intermediate coating with cloud iron, and water-based polyurethane topcoat. The results showed that during the test period, the mechanical properties of the coating system had a small loss. After 1 000 h of the test, its pull-off adhesion and coating impedance were still 7.2 MPa and 108 Ω·cm², with no bubbling or cracking on the surface, which remained smooth. Overall, the water-based coating system demonstrated good compatibility and environmental adaptability, providing effective protection for metal components of power transmission and transformation equipment.

Graphical abstract

关键词

输变电设备 / 水性涂层 / 电化学阻抗 / 环境适应性

Key words

Power transmission and transformation equipment / Waterborne coating / Electrochemical impedance / Environmental adaptability

大部分输变电设备直接服役于户外大气环境，其金属部件极易发生锈蚀，进而严重影响输变电设备的正常运行^[1-2]。而在输变电设备的金属部件表面涂装有机涂层能够有效保护金属部件免受外界环境的腐蚀，从而保证输变电设备正常稳定运行。传统用于输变电设备的有机涂层主要为溶剂型涂层，这类涂层在喷涂施工过程往往会释放出大量的有机溶剂，严重影响施工人员的身体健康，同时也会造成环境污染，不符合绿色低碳的环保理念。因此，近年来水性涂料在输变电设备领域逐渐受到广泛关注。水性涂料主要以水为溶剂，其有机溶剂的用量相比传统溶剂型有机涂层大幅下降，是一种环保型防护涂层。例如，目前水性富锌涂层的部分性能已经逐渐接近传统的溶剂型环氧富锌涂料，在一些领域呈现逐步替代传统环氧富锌涂层的趋势^[3-6]。此外，水性环氧云铁中涂漆^[7-8]和水性聚氨酯面漆^[9-10]的综合性能也逐步提高。目前，由水性富锌底漆、水性环氧云铁中涂和水性聚氨酯面漆组成的水性防腐涂层体系，在一些领域中正逐步替代传统的溶剂型环氧富锌底涂、环氧云铁中涂以及聚氨酯面漆组成的涂层体系。

鉴于输变电设备常常遭受不同的大气环境侵蚀，因此应用于输变电设备的水性涂层必须具备较强的耐腐蚀性能方可有效保护输变电设备的正常运转。因此，高效快捷的水性涂层性能评价方法已成为影响其推广应用的关键因素。而盐雾试验能够在短时间内获取涂层的耐腐蚀性能相关数据，可用作涂层耐腐蚀性能评价的有效手段^[11-12]。近年来，虽然关于水性涂层的研究报道诸多，但是关于输变电设备水性涂层体系的环境适应性的相关研究仍然主要集中在单一涂层体系研究，而对由水性富锌底漆、水性环氧云铁中涂和水性聚氨酯面漆组成的水性防腐涂层体系环境适应的研究较少。

本实验基于水性防腐涂层相关研究进展，研究由水性富锌底漆、水性环氧云铁中涂和水性聚氨酯面漆组成的水性防腐涂层体系的耐腐蚀性能，进一步阐明该水性防腐涂层体系的耐腐蚀性能及其相关机理，以期能够为输变电设备提供长效保护，为其在输变电设备领域中的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

碳钢板，Q235，标格达精密仪器（广州）有限公司；水性富锌底漆，60~80 μm，国网电力工程研究院有限公司；水性环氧云铁中涂，120~140 μm，国网电力工程研究院有限公司；水性聚氨酯面漆，60~80 μm，国网电力工程研究院有限公司。

1.2 仪器与设备

电化学工作站，Autolab 302N，瑞士万通公司；场发射扫描电镜(SEM)，JSM-IT800，日本电子株式会社；傅里叶变换红外光谱(FTIR)，Nicolet iS50，美国Thermo Fisher科技公司；角接触测量仪，MC500，江苏普瑞芯自动化科技有限公司。

1.3 样品制备

首先，用丙酮去除Q235碳钢板(尺寸为150 mm×70 mm×3 mm)表面的油污，然后进行喷砂处理，使其表面清洁度达到Sa 2.5级，粗糙度为中。接着，采用喷涂的方式，依次在喷砂后的钢板表面喷涂水性富锌底漆(厚度为60~80 μm)、水性环氧云铁中涂漆(厚度为120~140 μm)以及水性聚氨酯面漆(厚度为60~80 μm)。喷涂完的涂层在室温下固化7 d，涂层的平均厚度为(245±15) μm。

1.4 性能测试与表征

耐盐雾性能测试：依据GB/T 1771—2007测试涂层的耐盐雾性能，NaCl溶液质量分数为5%，试验温度35 ℃，试验周期分别为0、240、480、720、1 000 h。盐雾试验分为有划痕试样和无划痕试样，划痕处露出基材宽度为1 mm，每种涂层体系不少于3块平行试样。试板的边缘和背部均用蜜蜡密封，只保留涂层面。每个测试周期结束后，用去离子水清洗掉涂层表面污垢，吹干后，进行拍照记录。

涂层基本性能测试：依据GB/T 5210—2006、GB/T 9754—2007和GB/T 6739—2022每间隔240 h测试不同盐雾试验周期涂层的附着力、光泽和铅笔硬度。

电化学阻抗谱测试：采用电化学工作站测试不同盐雾试验周期涂层的电化学阻抗谱，金属铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，带涂层试板作为工作电极，测试面积12.56 cm²，NaCl溶液质量分数为3.5%，测试频率1.00×10⁵~0.01 Hz，扰动电压10 mV。

SEM测试：采用场发射扫描电镜测试不同盐雾试验周期涂层的微观形貌，操作电压15 kV，测试前样品表面进行喷金处理以增强其导电性。

FTIR测试：采用傅里叶变换红外光谱仪测试不同盐雾试验周期涂层的红外衰减全反射光谱(FTIR-ATR)，扫描范围500~4 000 cm^-1。

水接触角测试：采用角接触角测量仪测试不同盐雾试验周期涂层的水接触角。

2 结果与讨论

2.1 涂层形貌分析

图1为不同盐雾试验周期涂层的光学照片。从图1可以看出，随着盐雾时间的延长，涂层表面划痕处的锈蚀逐渐严重，但是划痕两侧并未出现明显的起泡现象。剥离划痕两侧的涂层后，可以清楚地看到，在480 h盐雾试验之前，划痕处的涂层下的扩展程度非常轻微，主要的锈蚀产物源于暴露于盐雾中的划痕表面。经过720 h盐雾试验后，腐蚀开始逐渐沿着划痕扩展，但锈蚀扩展的程度较小，约为0.5 mm，且随着盐雾试验时间的延长，锈蚀扩展范围未见明显变化，这表明水性富锌涂层能够为金属基材提供有效保护。水性环氧富锌涂层中的锌粉能够起到牺牲阳极的作用，进而确保与之接触的碳钢基材免受腐蚀，这也从涂层划痕处锈蚀扩展轻微的情况得到印证。此外，在完整涂层的盐雾试验照片上，未发现涂层起泡、剥落以及开裂现象。

图2为不同盐雾试验周期涂层的SEM照片。从图2可以看出，涂层表面结构的变化较小，同样未出现微裂纹、起泡等现象，这与涂层的光学照片相一致。盐雾试验结果表明，该水性涂层体系具备良好的配套性和相容性，可为金属基材提供有效保护。

2.2 涂层基本性能分析

涂层在盐雾试验后的基本性能变化，可有效反映出其耐腐蚀性能的变化。表1为不同盐雾试验周期涂层的基本性能。从表1可以看出，经过1 000 h的中性盐雾试验后，涂层的铅笔硬度仍为2H，未出现明显下降；而光泽度仅在1 000 h后出现轻微下降，表明盐雾试验对涂层光泽度的影响较小，这与前文的研究结果相一致。拉开法附着力在经过240 h中性盐雾试验后，从初始的9.9 MPa下降至8.1 MPa，下降18.2%。此后，在720 h盐雾试验之前，涂层的拉开法附着力保持在一个相对稳定的数值。而经过1 000 h盐雾试验后，拉开法附着力下降至7.2 MPa，相比初始值下降27.3%。水性涂层体系的附着力在1 000 h中性盐雾试验后有一定程度的下降，但仍然处于一个较高水平。

图3为不同盐雾试验周期涂层拉开法附着力的光学照片。从图3可以看出，涂层断裂面未有金属基底露出，表明该水性涂层体系仍具有较好的附着力，能够为金属基材提供有效的保护。这归因于水性涂层体系的各涂层之间保持着良好层间结合力，能够有效防止涂层在盐雾试验过程中出现层间剥离。若涂层之间的层间结合力不足，在拉开发法附着力测试过程中，往往会出现涂层之间的界面剥离，使断面较为平整光滑。然而，在试验中并未出现此现象，涂层断裂面粗糙，且所有断裂均为涂层内部断裂，表明各涂层之间具有极强的界面结合力。

2.3 涂层电化学阻抗谱分析

电化学阻抗谱可用来定量评估涂层的耐腐蚀性能。在等效电路中采用常相位角元件（CPE）代替纯电容元件^[13]。常相位角元件的阻抗的计算公式为：

Z_{\mathrm{C}\mathrm{P}\mathrm{E}}=\frac{\mathrm{1}}{Y{(j\omega )}_n}(1)

式(1)中：Z_CPE为常相位角元件的阻抗，Ω；Y为CPE常数，S；ω为角频率，rad/s；n为CPE元件的指数，表示试样表面电容偏离理想电容的程度^[14-15]。n=1，表示该元件为纯电容；n=0，表示该元件为纯电阻；n=-1，表示该元件为电感^[16]。

图4为拟合电化学阻抗谱的等效电路，其中R_s为溶液电阻，CPE_c为涂层电容，R_c为涂层电阻，CPE_dl为双电层电容，R_ct为电荷转移电阻^[17]。

图5为不同盐雾试验周期涂层的Bode图和Nyquist图。表2为不同盐雾试验周期涂层电化学阻抗谱的拟合数据。低频阻抗(\left|Z\right|_{0.01 Hz})用来表征涂层的耐腐蚀性能优劣^[18-19]。

从图5可以看出，Bode图显示在整个测试频率范围内相位角均小于90°，表明该电极的双电层响应偏离了理想电容行为，这主要与试样表面的传质和弛豫过程的局部不均匀性以及表面粗糙度有关^[20]。从表2可以看出，在进行240 h中性盐雾试验后，水性涂层的\left|Z\right|_{0.01 Hz}从初始的7.7×10⁹ Ω·cm²下降至1.2×10⁸ Ω·cm²，这表明NaCl溶液能够在短时间内渗透入水性涂层中。然而，随着盐雾试验时间的延长，水性涂层的\left|Z\right|_{0.01 Hz}稳定在10⁸ Ω·cm²左右。同时，随着盐雾试验时间的延长，水性涂层的CPE_c缓慢升高，这是由于NaCl溶液不断地渗入水性涂层中所致。整体来看，在720 h之前，水性涂层的CPE_c始终保持在一个较低水平，这体现出该涂层体系具备较好的耐水性。R_c同样呈现出先快速下降后逐渐稳定的趋势。在1 000 h盐雾试验后，涂层阻抗值仍然能够达到1.0×10⁸ Ω·cm²，体现出较好的防护性能。水性涂层的阻抗值在盐雾试验初期的快速下降，主要是由于腐蚀介质在水性聚氨酯面漆中的快速扩散；而后期维持在一个稳定数值，则是因为水性环氧云铁中间漆中所添加片层结构的云母氧化铁起到良好的阻隔效应，能够有效阻挡腐蚀介质在涂层中的渗透，从而达到提高涂层耐腐蚀性能的目的。这一点也可从拉开法附着力的照片得到印证。

2.4 红外衰减全反射光谱（FTIR-ATR）分析

图6为不同盐雾试验周期涂层的FTIR-ATR谱图。从图6可以看出，2 849 cm^-1和2 927 cm^-1处的吸收峰为聚氨酯分子结构中的—CH₂和—CH₃的伸缩振动吸收峰；1 728 cm^-1和1 686 cm^-1处的吸收峰为聚氨酯分子结构中C=O和C—O的伸缩振动吸收峰^[21]；1 462 cm^-1处的吸收峰为聚氨酯分子结构中亚甲基(—CH₂)的伸缩振动吸收峰^[22]；1 238 cm^-1处的吸收峰为聚氨酯分子结构中C—N的伸缩振动吸收峰。在整个盐雾试验周期内，水性聚氨酯涂层的主要官能团未发生明显的变化，表明盐雾试验对水性聚氨酯涂层的结构破坏程度较为轻微，这与涂层在整个盐雾试验周期内光泽度变化较小的情况相一致，即盐雾试验未破坏水性聚氨酯涂层分子结构。

2.5 涂层水接触角分析

为进一步阐明盐雾试验对涂层的表面亲疏水性能的影响，研究水性涂层体系在不同盐雾试验周期的水接触角变化。图7为不同盐雾试验周期涂层的水接触角。从图7可以看出，随着盐雾试验时间的延长，水性涂层的水接触角略有增加。这主要是由于在盐雾试验过程中，水性涂层吸水后，其表层发生了轻微溶胀。整体上，涂层溶胀程度较低，对涂层表面状态和表面结构的影响较小。因此，涂层平整度在整个盐雾试验周期内变化较小，这与前文的研究结果一致。

3 结论

本文系统研究了由水性环氧富锌涂层、水性环氧云铁中涂以及水性聚氨酯面漆组成水性涂层体系的环境适应性。经过1 000 h的中性盐雾试验后，涂层仅有轻微失光，涂层硬度几乎没有损失，附着力虽有小幅下降，但仍然保持着较高的数值，且涂层表面未出现起泡和开裂现象。水性涂层阻抗值虽有下降，但仍然能维持在10⁸ Ω·cm²，可为金属基材提供有效保护。盐雾试验对涂层分子结构的影响较小，其对涂层的主要作用机制在于腐蚀性介质逐步向涂层内部渗透与扩散。因此，由水性环氧富锌底漆、水性环氧云铁中涂和水性聚氨酯面漆组成的水性防腐涂层体系具有优异的配套性和较好的环境适应性，可为输变电设备金属部件提供良好的保护。

参考文献

[1] 王志高,田倩倩,耿植,四川电网输变电设备的腐蚀情况调查及防护措施[J].腐蚀与防护,2021,42(3):34-37.

[2] 易盼,徐金,莫娟,变压器用高导热环保防护涂层技术研究[J].变压器,2022,59(6):25-30.

[3] 张鹏飞,黄强.水性环氧富锌底漆的制备与性能研究[J].涂层与防护,2023,44(8):27-33.

[4] 李德斌,贺玉平,陈翔宇,抗流挂性水性环氧富锌底漆的制备[J].材料保护,2023,56(1):94-97.

[5] 孔凡桃.高防腐水性环氧富锌涂料的制备及应用[J].现代涂料与涂装,2021,24(8):13-16.

[6] 易盼,徐金,莫娟,高导热物质对水性环氧富锌涂料腐蚀行为的影响[J].腐蚀与防护,2022,43(10):57-62.

[7] 欧小琼,吴灿,张博晓,厚浆型水性环氧云铁中间漆的制备及其配套性能研究[J].胶体与聚合物,2020,38(4):172-174.

[8] 陈力,刘明,梁晟源,钢结构用水性环氧云铁中间漆的制备及性能研究[J].涂层与防护,2023,44(8):22-26.

[9] 马凯军,薛凤颖,张志友,溶剂型与水性聚氨酯面漆室内加速试验和现场试验性能对比研究[J].材料保护,2024,57(2):154-161.

[10] 沈雪锋.钢结构重防腐涂层典型配套的水性化研究[J].涂料技术与文摘,2017,38(4):39-46.

[11] 边美华,彭家宁,尹立群,有机防腐蚀涂层加速试验方法和评价技术进展[J].材料保护,2019,52(7):128-134.

[12] AYDıN F. A review of recent developments in the corrosion performance of aluminium matrix composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2023, 949: 169508.

[13] YI P, DONG C F, ZHANG T Y, et al. Effect of plasma electrolytic nitriding on the corrosion behavior and interfacial contact resistance of titanium in the cathode environment of proton-exchange membrane fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2019, 418: 42-49.

[14] YE C Q, HU R G, DONG S G, et al. EIS analysis on chloride-induced corrosion behavior of reinforcement steel in simulated carbonated concrete pore solutions[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2013, 688: 275-281.

[15] ARRABAL R, MINGO B, PARDO A, et al. Pitting corrosion of rheocast A356 aluminium alloy in 3.5 wt.% NaCl solution[J]. Corrosion Science, 2013, 73: 342-355.

[16] YI P, DONG C F, XIAO K, et al. In-situ investigation of the semiconductive properties and protective role of Cu₂O layer formed on copper in a borate buffer solution[J]. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2018, 809: 52-58.

[17] HAO Y S, SONG L X, ZHANG Y L. A facile method to prepare mesoporous polyaniline hollow nanosphere and its application in self-healing coating[J]. Progress in Organic Coatings, 2022, 168: 106912.

[18] CAO X K, HUANG F, HUANG C, et al. Preparation of graphene nanoplate added zinc-rich epoxy coatings for enhanced sacrificial anode-based corrosion protection[J]. Corrosion Science, 2019, 159: 108120.

[19] 许志雄,周欢,芦树平,基于交流阻抗技术的涂层性能评价方法[J].中国舰船研究,2020,15(4):110-116.

[20] YI P, CHEN D H, LI M L, et al. Effect of Nd addition on the corrosion behavior of SAC305 solder alloy[J]. Corrosion Science, 2023, 220: 111264.

[21] 康鑫,时卓,孙连来,抗腐蚀蔓延水性环氧富锌涂料的制备与性能[J].电镀与涂饰,2024,43(6):148-157.

[22] 郭宇,于文静.水性双组分羟基丙烯酸聚氨酯涂料的研究[J].中国涂料,2024,39(1):60-65.

基金资助

国网甘肃省电力公司科技项目(522728240003)