碟状α-磷酸锆在聚酯粉末涂料中的防腐蚀作用研究

司徒粤、纪维维、黄洪、史英骥

华南理工大学化学与化工学院

摘要：

利用水热法合成了碟状α-磷酸锆（α-ZrP），并以此为功能填料制备了新型防腐聚酯粉末涂料，采用SEM、FT-IR和XRD对磷酸锆的物理形貌和化学结构进行了表征，分别运用TGA-DTG和SEM分析了防腐涂料涂层的热稳定性与微观形貌。以3.5%NaCl水溶液模仿海洋环境，测试了不同α-ZrP含量的聚酯粉末涂层在浸泡过程中的交流阻抗谱（EIS）和极化曲线（LSV），分析了α-ZrP对涂料防腐性能的影响。结果表明：添加碟状α-ZrP能够大幅增强聚酯涂层的耐腐蚀能力，腐蚀电压显著正移，腐蚀电流密度下降1~3个数量级。当α-ZrP的含量占总组分的3%时，涂层的防腐性能达到最佳。

前言

我国近海海区广泛分布石油、天然气、可燃冰、铜、铁、煤、硫、磷、石灰石等自然资源，海洋资源综合利用及其配套技术已经成为我国工业重要的发展方向，对国民生产和国计民生具有不可替代的作用，也是人类未来生存和发展所依赖的重要支柱。海洋环境中含有丰富的氯化物和硫酸盐类电解质，是一种比较强的天然腐蚀剂，海洋工程材料长期处于高湿、高盐雾、干湿交替频繁、海洋细菌和微生物大量繁衍的环境中，同时承受海面风浪冲击及强烈的自然对流作用，电化学腐蚀、机械腐蚀和微生物腐蚀现象严重。为了延长海洋设施及其部件的使用寿命，节省设施维修维护费用，海洋工程对材料的防腐也提出了越来越苛刻的要求。

目前工业防腐中使用最为广泛的是溶剂型涂料，其施工过程中释放出大量的挥发性有机化合物（VOC），环境危害性大。随着人们对环保的日益重视，防腐蚀涂料正朝着粉末化、水性化、无溶剂化、辐射固化和高固体化等方向发展。聚酯粉末涂料的机械性能佳、涂膜坚韧、价格低廉，具有较好的耐候性，能满足户外工程实施的涂装要求。因此，开发高效、稳定、经济、环保的聚酯粉末防腐涂料以满足海洋设施涂装要求具有重要的环境意义与经济价值。

片状防腐颜填料是粉末涂料防腐特性的决定性因素，片状材料通过物理阻隔作用，迫使腐蚀介质在涂层中沿曲线向内传输，延长了迁移扩散路径，从而大大延缓腐蚀进度。防腐粉末涂料中的片层状填料主要有石墨烯、云母氧化铁、绢云母与玻璃鳞片等。磷酸锆类化合物作为一种新型多功能片层材料被广泛应用于离子交换、液晶、吸附催化等领域，它具有规整的六边形晶形和较大的纵横比，机械强度高，化学性质稳定，不溶于水或有机溶剂，能耐较强的酸和一定的碱度，制备方法简单，价格低廉。碟状磷酸锆在形状上具有潜在的物理阻隔作用，将其应用于聚酯粉末涂料有望提高涂层的耐腐蚀性，目前尚未见国内外的相关报道。

本实验采用水热法合成了具有规整六边形片层结构的碟状α-磷酸锆（α-ZrP），并以此为功能填料制备聚酯粉末防腐涂料，通过交流阻抗谱和塔菲尔极化曲线探究了碟状磷酸锆对聚酯粉末涂料防腐性能的影响。

实验部分

1.1 原料及仪器

扫描电镜：SU-8220，日立；傅里叶变换红外光谱仪：VERTEX70，布鲁克公司；X射线衍射仪：D8Advance，布鲁克；热重分析仪：NETZSCHTG204F1Phoenix，耐驰；电化学工作站：AutoLAB，瑞士。

1.2 α-ZrP纳米片的制备

将6.4g八水合氯氧化锆（ZrOCl2·8H2O）完全溶于4mL去离子水中。配置浓度为3mol/L的磷酸（H3PO4）溶液，量取60mL磷酸溶液，在连续搅拌下逐滴加入氯氧化锆溶液，将获得的凝胶状混合物置于水热反应釜中密封，在180℃下反应24h。反应完成后，将制备的α-ZrP固体真空抽滤并用去离子水反复洗涤，确保将磷酸锆表面未反应的磷酸全部除去。最后将滤饼置于真空干燥箱中70℃条件下干燥24h，所得固体磨成磷酸锆粉末，即α-ZrP纳米片。

1.3 α-ZrP/聚酯防腐涂层的制备

按照表1配方称取各组分，将所有组分进行机械预混，然后通过双螺杆挤出机高温熔融挤出，挤出温度控制在110℃，转速控制在230r/min，最后将其冷却、粉碎、过筛，得到粒径为160目的磷酸锆/聚酯粉末涂料。试验中不同样品的α-ZrP添加量为0g、5g、15g、25g，分别记作PE、ZrP-1%/PE、ZrP-3%/PE、ZrP-5%/PE。

静电喷涂前用240目、400目、600目、800目、1000目的水....