表面預處理對鋼結構防護涂層附著力的影響

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無論是暴露于海洋環(huán)境或是工業(yè)大氣中的鋼結構,腐蝕的問題都相當突出,由此引起的經濟損失和對人身安全的威脅十分嚴重,因此,采取有效的防腐措施,以減少這種腐蝕造成的損失極為重要。在鋼結構表面涂刷防護涂層,是防止腐蝕的主要手段之一。而防護涂層與鋼材表面間的良好附著力是保證防護涂層有效防護壽命的前提,防護涂層的附著力與許多因素有關,如涂裝前表面處理的質量、涂料類型、涂裝施工的工藝條件等,其中涂裝前表面處理的質量是決定防護涂層附著力的最主要因素。涂裝前對鋼材表面的處理,俗稱“除銹”,它不僅指除去鋼材表面的鐵銹,還包括除去覆蓋在鋼材表面的氧化皮、舊涂層、油脂、焊接殘留物、灰塵及鹽分等其他附著物,同時也包括對鋼材不規(guī)則表面的處理。鋼結構表面涂刷的防護涂層通常是靠涂料分子與金屬表面極性基團之間的范德華力相互吸引以及基料、顏料與金屬鐵之間的化學反應,使涂層緊密覆蓋在鋼鐵表面,達到保護鋼鐵的目的。因此,涂裝前鋼材表面應盡可能除去非鐵物質,使金屬鐵裸露在表面,才能保證涂層與鋼材表面間具備足夠的結合力以達到好的防護效果。

    1 鋼材表面各種附著物及不規(guī)則表面對涂層附著力的影響

    鋼材在進行表面處理前,因環(huán)境及所處生產工藝階段的不同,表面上會有氧化皮、銹蝕產物、舊涂層、油脂、焊接殘留物、灰塵及鹽分等各種附著物,有些工藝階段還會使鋼材表面產生不規(guī)則形狀,下面就這些附著物及不規(guī)則表面對涂層保護性能的影響一一進行分析。

1.1氧化皮對涂層保護性能的影響

    各種鋼結構所用鋼材大多是熱軋鋼材,這些鋼材剛出廠時,表面完整地覆蓋著一層堅硬的氧化皮,這一層氧化皮肉眼看起來很緊密,但實際上有許多縫隙,這些縫隙會滲透水和氧氣。熱軋鋼材的氧化皮大體上是由三層鐵的氧化物組成的,表層是Fe2O3,中間層Fe3O4,與金屬表面直接接觸的是FeO。Fe2O3在化學上是穩(wěn)定的,而FeO很不穩(wěn)定,在水和氧的作用下,FeO很容易水解成鐵的氫氧化物,這樣,上述水解作用和腐蝕就會慢慢從縫隙開始,并沿著金屬和氧化皮的界面向內深入,在界面上生成較大體積的銹蝕產物,從而引起氧化皮表層應力的變化,而氧化皮本身沒有延展性,這樣氧化皮很快就會帶著它外面的涂層一起剝落下來。此外溫度的變化、機械作用等物理因素也會引起氧化皮翹起或剝落。另外,從電化學觀點看,氧化皮的電極電位比金屬鐵本身要正0.15～0.20V,當鋼板的大部分表面上仍附有氧化皮時,在腐蝕性介質中氧化皮部分便構成一個大陰極,而在氧化皮不連續(xù)處的鋼材則構成一個小陽極,從而發(fā)生嚴重的電化學腐蝕。同時有國內外大量的試驗證實,除去氧化皮以后再涂裝的鋼材比帶有氧化皮的鋼材受保護的效果更好。因此,要提高防護涂層的附著力,必須充分重視鋼材表面氧化皮的清理工作。

    1.2銹蝕產物對涂層保護性能的影響

    鋼材表面上存在未清除的銹蝕產物時,涂層與金屬表面之間不能直接接觸,涂層的附著力會因此降低,影響涂層的保護性能。銹蝕產物對涂層保護性能的影響主要是來自于其中所含可溶性鐵鹽的作用。空氣中的SO2和氯氣在潮氣的作用下,侵蝕鋼板生成可溶性鐵鹽FeSO4或FeCl2。這些鐵鹽一方面水解、氧化成大量的鐵銹,另一方面又起到催化作用,使鋼材繼續(xù)腐蝕,這一過程若發(fā)生在涂層下面,會很快引起涂層銹蝕穿透,形成早期的蝕點,使涂層過早起泡,其腐蝕過程見圖1。可見,鋼材表面銹蝕產物的清理情況是防護涂層附著力大小的決定性因素之一。

1.3鋼板表面上其他附著物及不規(guī)則表面對涂層保護性能的影響

    鋼板表面上其他附著物,包括舊涂層、油脂、焊接殘留物、灰塵及鹽分等等。這些附著物會導致過早出現(xiàn)砂眼并大大縮短涂層壽命,在這些表面附著物的消極影響中,少量的鹽分要比油脂更嚴重；灰塵和焊接殘留物會進入表面上的微孔和不規(guī)則區(qū)域中,致使鋼板局部腐蝕；舊涂層一般已老化并且是局部分布的,它的存在會局部地分隔開新涂層與鋼材表面,降低涂層附著力,使新涂層局部脫落。另外,由于焊接、火攻、切割等操作而導致的不規(guī)則表面,如焊接氣孔、焊接飛濺、銳邊或其他成型不好的鋼材表面也要進行表面處理,一方面可以將能夠導致涂層有效期縮短的附著物清除掉；另一方面,如果對這些不規(guī)則表面不進行處理,這些部位涂層的涂膜就會太薄,也很容易受流動液體的腐蝕,從而降低涂層的壽命。綜上所述,充分的表面處理是提高防護涂層附著力,并獲得優(yōu)質涂層、延長涂層有效壽命的保證。

2 涂裝前鋼材表面處理情況對防護涂層附著力的影響

    鋼材表面處理方式主要有：噴砂清理、動力工具打磨處理、酸洗及磷化處理等。這些表面處理方式的原理是：應用機械或化學的方法,清除其表面的氧化皮、銹蝕及其他附著物；應用機械方法處理影響涂層壽命的不規(guī)則表面。

    2.1機械方式處理后的表面質量對涂層附著力的影響

    噴砂清理與動力工具打磨處理均屬于機械處理方式。噴砂清理是將磨料(鋼丸、鋼絲段、棱角鋼砂等)以高速噴射至被處理的鋼材表面,產生打擊和磨削作用,除去鋼材表面的氧化皮、銹蝕及舊涂層等附著物,讓鋼鐵表面露出金屬本色,并獲得合適的粗糙度,以利于涂料的粘附；對車間底漆不完整表面以及焊痕、銳邊等不規(guī)則表面在進行噴砂清理前,通常采用諸如鋼絲刷、砂輪片等動力工具打磨的方式進行處理。試驗證明,涂裝前鋼材表面粗糙度直接影響涂層與底材之間的附著力和涂層厚度的分布,對涂層的保護性能有很大的影響。涂層附著于金屬表面主要靠涂料分子與金屬表面極性基團之間的范德華力相互吸引以及基料、顏料與被保護金屬之間的化學反應。鋼材在噴丸除銹后,隨著表面粗糙度的增大,涂料與金屬接觸的表面積也增大了,涂層與金屬表面之間的范德華力以及可發(fā)生化學反應的接觸面積也相應增大,這樣必然會提高涂層的附著力。噴砂清理,特別是噴射具有棱角的磨料,不僅會增加鋼材表面積,而且還為涂層附著提供了合適的表面幾何形狀,使得涂層與金屬表面之間除了范德華力外,還有機械的齒合作用,對涂層的附著就更加有利。

    但粗糙度要適當,如果太大,也會不利于涂層的保護性能。與光滑的表面比較,涂料用量一定,粗糙表面上涂層的有效厚度就要低得多,容易導致波峰處的涂層厚度不足,早期的銹蝕一般就會從這里開始。另外,粗糙度過大,在較深的凹坑內就可能截留氣泡,成為涂層起泡的根源。經驗表明,對于通常的防腐涂裝來說,鋼材表面最大粗糙度的數(shù)值一般不應超過100μm,較合適的范圍是40～75μm。對于鋼材的不規(guī)則表面,在噴砂清理前,所有切割產生的銳邊以及鋼板上燒焊留下的痕跡,要分別進行打圓或其他處理。要得到圓滑的邊緣,對鋼板邊緣可以采用動力工具打磨的方式進行處理,將90°或尖銳邊角變成兩個鈍角,而銳邊的圓角可指定一個最小半徑范圍,如R=2mm,這樣,噴砂處

2.2化學方式處理后的表面質量對涂層附著力的影響

    酸洗、磷化處理及溶劑擦洗均屬于化學處理方式。酸洗是應用無機酸或有機酸與鋼鐵表面的氧化皮、鐵銹發(fā)生化學反應,生成可溶性鐵鹽,然后將其從鋼鐵表面清除的工藝手段；磷化是指在鋼鐵表面通過化學方法處理,生成各種不溶于水的金屬磷酸鹽膜層的過程,這種方式可提高鋼鐵表面的抗腐蝕能力,同時磷化膜作為涂料保護的底層,還可提高滑動面的耐磨耗性能；而油脂、焊接殘留物及鹽分等其他表面污染物可采用溶劑擦洗的方法清理掉,或用含有清洗劑的清水沖刷,再用清水清潔并干燥。如必要,這種清除油脂、沖洗并干燥的措施應在最后的噴砂清理之前做,以保證鋼材表面的質量,獲得具有良好耐久性的涂層。

2.3表面預處理后清潔作業(yè)對涂層附著力的影響

    通過一定的處理方式清除掉表面的氧化皮、銹蝕產物、舊涂層、油脂、焊接殘留物、灰塵及鹽分等各種附著物,并對鋼材的不規(guī)則表面處理圓滑后,會在鋼材表面留下一些副產物,為確保涂料與被涂表面的附著力,在涂裝作業(yè)前,應對被涂表面進行清潔處理。各種表面處理作業(yè)在鋼材表面留下的副產物有：廢磨料、灰塵、鹽分、污油、污水等,有時還會留下作業(yè)時的粉筆記號、標志涂料等,那么,涂裝前表面清理工作的主要內容就是對這些會對涂層附著力產生影響的副產物加以清理。這些需要除掉的副產物可通過清水沖洗、壓縮空氣吹干、擦除等方法清理,其中的標志涂料如果與待涂裝的涂層屬同一類型,可不必完全清除,只需做必要的表面清潔。上述這一系列的表面預處理工作,對保證涂層與鋼材之間的附著力具有重要的影響,在工作中應給予足夠的重視。

    3 結語

    綜上所述,鋼材表面預處理在增強涂層與鋼材之間附著力、提高涂層對鋼結構防腐作用中的重要性是顯而易見的,如果鋼材表面不經處理就涂裝防護涂層,涂層與鋼材表面之間無法獲得足夠的附著力,會大大降低防護涂層對鋼結構的防腐作用,即使涂層采用高質量的材料,也很難保證防腐體系的有效期。涂裝前良好的表面處理,對提高鋼結構的使用壽命可以起到事半功倍的效果。采用好的涂層配套體系,就如同給鋼結構“穿”上了一件擋風御寒的外衣,而要達到良好的涂層保護效果,涂裝前良好的表面處理是必不可少的,它可以使這件外衣牢牢地附著在鋼結構表面,持久地擔當起保護鋼結構的重任。