利用新型分散剂技术提高抗腐蚀性

以下内容为路博润应用科学家Cathy Cooper博士撰写的一篇文章的摘录，该文章发表于2022年1月刊《European Coatings Journal》（欧洲涂料杂志）。

金属表面的腐蚀是可持续发展当中的一项重要问题——它会缩短产品的生命周期，并且对制造金属结构的能源和资源造成浪费。 这些后果会产生直接的经济影响：据美国国家腐蚀工程师协会 (NACE) 的一份报告估计，全世界的腐蚀成本为2.5万亿美元，该数字相当于全球国内生产总值的3.4%⁽¹⁾。该成本可分为两种类型：纠正成本和预防成本。 纠正成本包括更换腐蚀物品的工时和材料，以及因泄漏或涉及腐蚀基础设施的事故而导致的产品损失。 预防成本则包括减少金属表面腐蚀的方法，其中包括表面涂层的选择。

腐蚀是在金属与周围环境之间发生的化学或电化学过程，该过程会导致金属表面劣化⁽²⁾。 以下内容将重点探讨以铁作为阳极的钢表面。

保护涂层的作用，是在阳极和阴极或周围电解质之间提供屏障。 理想的涂层系统应当不透水、不透氧，而且不会让离子通过涂层传输。 由于保护性涂层的设计目的是在金属表面与周围环境之间形成一个屏障，所以环境的性质也是必须要考虑的。 在传统方法中，条件最恶劣的区域通常以多层溶剂型体系作为保护性涂料，但针对挥发性有机物含量 (VOC) 较低的替代涂料的研究正变得越来越多⁽³⁾。 降低涂料VOC的其中一种方法，是采用水性体系。

对卓越分散性的需求

路博润的科学家们对如何优化直接用于金属 (DTM) 的水性涂料进行了研究，以增加此类涂料在各种腐蚀环境中的应用，并为水性DTM涂料的应用开发出了一项新技术。

水性涂料配方的主要成分是聚合物树脂粘合剂、颜料，以及用于确保颜料在体系中保持足够稳定的分散剂。 对分散剂进行优化，可以形成均匀、无缺陷的干膜，其中的颜料粒径合适，而且不会结块。 颜料充分分散的涂层对于提供可接受的抗腐蚀性能至关重要。

为了研发新型DTM水性涂料分散剂技术，路博润的科学家们将自己对分散和腐蚀途径的深入了解运用到了研究当中。 其目的是为 Solsperse™超分散剂 产品系列开发出分散剂，使该系列能够在分散性能和固有的抗腐蚀性之间取得平衡。

评估

科学家们研制出了多种水性配方。 为了评估这些配方的性能，他们通过电化学阻抗光谱法 (EIS) 和盐雾暴露实验，评估了分散剂对腐蚀性能的影响。 评估中使用的是金红石型二氧化钛颜料，研磨基颜料含量为63.3%，分散剂占颜料重量的百分比 (AOWP) 为2.7%，除非另有说明。 颜料体积浓度为11%，该配方在60°时的光泽度约为85。

配方制作完成后，使用10毫升涂抹器将其涂抹在“QPanel” S-46钢板上。 在室温下干燥一周后，钢板上会形成一层厚度大约为85 μm的最终涂层，薄膜中含有0.85%的分散剂。 这些钢板被完整地用于在室温下以5 wt.%的氯化钠溶液进行的EIS测量。

在EIS研究中还使用了一个筛选配方，配方当中的丙烯酸树脂没有针对抗腐蚀性进行优化。 这些实验提供了关于钢板涂层阻挡离子传输程度的数据。 该技术在不同频率下测量涂层的电阻，并采用数学模型来获得电阻率值Rp。较高的Rp代表更好的涂层。

为了确定颜料分散质量和抗腐蚀性之间的联系，评估中还对带划痕钢板的EIS数据和盐雾实验进行了分析。分析表明，薄膜缺陷或分散剂过量使用会导致离子通过薄膜传输的程度更高。

对EIS数据的分析还显示，当暴露于盐溶液10天后，新型分散剂产生的电阻率为4.35 x 10⁶ ohm/cm²，而市场标准值则为7.21 x 10⁵ ohm/cm²。 这表明离子通过含有分散剂涂层的传输量明显减少，因此腐蚀也更少。

为了获得最佳抗腐蚀性，除了优化负载水平外，还需要优化分散剂的结构。 研究发现，新型分散剂技术能够在腐蚀筛选配方中以5% AOWP研磨二氧化钛，所产生的电阻率为7.95 x 10⁶ ohm/cm²。 下图中可以清楚看出薄膜中离子传输的抑制对腐蚀性能的影响，图中显示的是暴露于盐溶液四天后的薄膜。 即使优化了负载水平，在市场标准值下也会出现明显的起泡和表面生锈。

暴露于5 wt.% NaCl (ac) 四天后的薄膜表面照片。 可以清楚看到，分散剂产生了更好的性能，甚至比优化负载的市场标准值样品更好。

卓越抗腐蚀性

在暴露于盐雾四周后，对全配方腐蚀钢板的结果进行了分析。 没有使用分散剂的钢板上的划痕出现了一些增长，划痕周围有些起泡，而在区域面积内也出现了明显的起泡和薄膜缺陷。 这是由于该系统中颜料分散体的稳定性不足，因此无法产生适合DTM应用的漆膜。 相较于没有任何分散剂添加剂的钢板，使用市场标准分散剂的钢板则显示出明显下降的抗腐蚀性能。 这可能是由于分散剂上稳定基团的亲水性导致的。 与不使用分散剂的钢板相比，薄膜质量有了很大改善，但起泡现象确实会从划痕处延伸开来。 在四周的暴露过程中，由于腐蚀的原因，划痕本身也在增长，最终划痕增长至2.19 mm。

暴露在盐雾中四周的钢板；从放大截面可以看出，没有分散剂的薄膜是不均匀的。 与市场标准相比，新型分散剂的薄膜质量和抗腐蚀性均得到改善。

与市场标准相比，使用新型分散剂的钢板在抗腐蚀性方面具有明显改善，在薄膜性能方面与无分散剂的钢板相比也有明显改善。 虽然划痕周围有一些起泡现象，但起泡数量比市场标准要少。 划痕只增长了0.90 mm，且对薄膜性能没有不利影响。 总体而言，新型分散剂在适当的薄膜性能和抗腐蚀性之间取得了良好的平衡。

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