烧结温度和烧结时间对PFA涂层性能影响的研究

t=-(x2)/(BD)m(1-q/Q)式中：q为腐蚀介质的渗透量；Q为腐蚀介质对有机物的渗入量；x为涂层厚度；K为常数；D为扩散系数；B为常数；t为涂层的使用寿命。5.3.2涂层使用寿命的主要影响因素有机涂层或长或短的都可以对基体起到保护作用，不会一放置到腐蚀环境中就立即失效的，必然会经历从量变到质变的过程。在这个过程中有许多因素影响着涂层的使用寿命，主要有以下四大因素：表面处理、涂层厚度、涂装环境和涂料种类。这四大主要因素对涂层使用寿命的影响比率如表5-1所示，它们对涂层的使用寿命有着很大的影响，应该引起足够的重视。表5-1影响有机涂层使用寿命的主要因素及影响比率[69]Table5-1Majoreffectfactorsandtheirinfluenaingratiooftheservicelifeoforganiccoatings影响因素表面处理涂装工艺涂层厚度涂料种类（同种类比较）影响比率，%49.526.519.14.9由表5-1可知，涂装前金属基体表面处理的质量和涂装工艺的选择对涂层使用寿命的影响比率占到了76％，所以在制备涂层时要注重对两方面的因素的控制，前面第三章已经详细的讨论过。同时由表5-1可知，涂层厚度对涂层使用寿命的影响也是很大的，一般而言，厚涂层对基体的使用寿命是比薄涂层的长。但是如果涂层厚度过厚，会减弱涂层与基体之间的附着力，涂层表面的缺陷也可能增多，而影响涂层的使用寿命。应该根据设备所处的不同腐蚀环境来确定涂层的厚度，不能盲目的追求厚涂层。不同腐蚀环境下对涂层厚度的要求如表5-2所示。表5-2特定环境中的涂层厚度Table5-2Thecoatingthicknessoftheparticularenvironment环境一般性涂层装饰性涂层防护性涂层盐雾环境涂层长效耐蚀环境涂层涂层厚度（μm）80~100100~150150~200200~250＞350涂层的性能可以采用传统的研究方法来确定，即根据涂层经过腐蚀后所表现出来的各种不同的失效现象来判定。通常采用的方法有浸泡试验、盐雾试验（详见第四章）、耐湿耐热试验等，本章介绍用浸泡试验确定PFA涂层厚度与涂层寿命的关系。按规定方法对试样涂层进行腐蚀，在经过规定时间后取出试样，对涂层上的腐蚀产物进行处理后，检查涂层是否有起泡、脱落等其他失效现象，并根据这些现象对涂层的性能进行评价[70]。5.3.3多层防腐涂层的构成多层防腐涂层是由许多道不同作用的涂料依次叠合形成的防腐蚀系统。各道涂层相互配合，共同阻止腐蚀介质的侵入，共同保护基体。PFA多层防腐涂层一般由一道底涂漆和若干道以上面涂层组成。底漆是和金属表面直接接触，底漆的好坏直接影响涂层系统的整体防腐蚀性能，通常底漆应具有以下三个特点：①与金属基体要有良好的粘结力，并且润湿性要好。只有润湿性好，才能和金属表面细微不平处接触，渗透到金属表面稍微凹凸不平处或沟缝中；②底漆是腐蚀介质渗入涂层后的最后一道防线，因此，底漆要有防腐作用，一般底漆中都添加保护性颜料来增强底漆的防腐功能；③底漆的成膜物质要能够形成紧密的涂膜，减少底漆的孔隙，从而能够阻止腐蚀介质的渗透。面层涂膜是阻挡腐蚀介质的第一步，要根据不同的腐蚀环境选择不同性质的面层涂料，同时要减少孔隙度。面层涂膜涂层还可以拥有不同的特殊功能如防水、耐候、装饰和阻垢等功能，要针对不同的要求，选用不同功能的涂料。5.3.4涂层厚度与涂层使用寿命的关系一般对同一种涂料来讲，涂覆在基体上的涂层的厚度越大，则腐蚀介质渗透到基体表面的可能性就越小，涂层对基体的保护时间也就越长。如果将涂层浸泡在腐蚀介质中，在浸泡足够长的时间以后，涂层都会渐渐地发生腐蚀现象，参照国家标准GB/T1766-1995中的相关规定来确定涂层破坏程度等级，表5-3就是涂层浸泡时破坏程度等级表[71,72]。表5-3涂层均匀破坏变化评级表Table5-3Theratingforcoatinguniformitydamagechange等级变化程度0无变化，即无可觉察的变化1很轻微，即有刚可觉察的变化2轻微，即有明显觉察的变化3中等，即有很明显觉察的变化4较大，即有较大的变化5严重，即有强烈的变化本实验采用当涂层均匀破坏程度达到5级（即涂层产生强烈变化）时所需要的时间来记作涂层的使用寿命时间。4种不同厚度的PFA涂层在30%氢氧化钠溶液中浸泡后的寿命见表5-4，表中的t为涂层的使用寿命值。表5-4不同厚度PFA涂层的使用寿命值Table5-4ThelifevaluesofprotectdifferentthicknessofPFAcoating层数12345厚度（μm）4080120160200t/d21586230各种厚度的涂层经过不同时间浸泡后都出现了大范围的鼓泡或脱落生锈的现象，到达第5等级破坏程度时的涂层表面形貌见图5-1。1层（2天）2层（15天）3层（120天）4层（160天）图5-1在30%氢氧化钠溶液中浸泡后的涂层表面形貌Fig.5-1TheSurfacemorphologyofthecoatingwasimmersedin30%NaOHsolution图5-2在30%氢氧化钠溶液中涂层厚度与对应的使用寿命的关系Fig.5-2Therelationshipbetweenthecoatingthicknessandprotectlifein30%sNaOHsolution设横坐标为涂层厚度记为x，纵坐标为保护寿命记为y，利用excel对实验中所得的数据进行处理，运用最小二乘法原理，采用二次多项式y=a0+a1x+a2x2对y和x进行拟合，我们能够得到不同厚度的涂层与所对应的使用寿命时间的数学关系式。图5-2是拟合的结果。由于时间的限制，我们实验浸泡时间只持续了230天，而200μm厚的PFA涂层在30%氢氧化钠溶液浸泡的230天时间里，没有能够观察到强烈的破坏等级，认定该体系的涂层仍然是有效的。但是我们可以根据图5-2中拟合出的关系式y=0.0205x2-2.2062x+58.25来估算出涂层出现强烈破坏等级的时间：t=y(200)=437d≈1.2a说明200μm厚的PFA涂层能够在30%氢氧化钠溶液中对金属基体起到良好的保护作用；若取涂层厚度为300，则其使用寿命t=y(300)=1241d≈3.4a。6结论本课题是在课题组已有的实验结论（PFA涂层的烧结温度为380℃，烧结时间为30min的实验室涂装工艺）基础上进行进一步的试验和更为细致的探讨，确定适合工程实际运用的涂装工艺参数，并提出适合现场应用的检测涂层质量的方法，以便能够实现工程应用。本课题选用四氟乙烯-全氟烷氧基醚共聚物（PFA）粉末涂料作为涂层材料，运用静电喷涂的方法喷涂涂料，采用不同烧结的工艺，制备了多组涂层试样并对涂层进行相关性能的试验，通过试验结果以确定合理的烧结温度的温差范围，为PFA防腐涂层在化工行业中的应用奠下基础。具体试验结论总结如下：利用有限元分析软件ANSYS中的热分析模块模拟和分析履带式加热板的温度场，并且和由实验获得实际的加热板的温度分布情况比较，确定加热板最大的温差数值为15℃，从而确定了五组烧结工艺参数；（2）按照涂装工艺进行涂层试样的制备，特别要注重基材表面的处理和烧结过程中的温度控制。对试样涂层进行厚度、接触角、微观组织形貌、孔隙等外观检测性能的检测。从涂层表面组微观组织形貌发现，采用第一组烧结参数烧结得到的PFA涂层表面更加致密、均匀，表面光滑，有光泽；而其余四组烧结参数烧结得到的PFA涂层表面存在较多的氧化物和孔隙缺陷，这些缺陷对于涂层的耐酸碱性和渗透性很不利；通过对孔隙的检查得到采用最佳烧结温度380℃烧结的涂层孔隙少，采用其余温度烧结的涂层的孔隙较多；（3）对试样涂层进行物理性能的检测，主要是硬度、附着力和耐腐蚀性的检测。硬度测试得出涂层的硬度等级均在H级以上，此硬度足以应对化工行业中许多设备工作环境中介质所带来的冲刷，同时结果也表明采用第一组烧结参数烧结得到的PFA涂层的硬度等级更高（最高可以达到6H级别），而采用其他四组烧结参数烧结得到的涂层硬度相对而言低许多；采用划格法对涂层进行附着力的测试，此方法简单易行，能快速知道涂层结合的基本状况，可以应用于现场检查。试验结果表明采用第一组烧结参数烧结得到的PFA涂层的附着力等级最高，涂层与基体之间的粘接最好；而采用其他四组烧结参数烧结得到的涂层附着力等级较低，其中第二组和第四组中涂层附着力等级出现了4级的。这也说明当烧结温度过低或过高时，会降低涂层与试样基体间的结合强度。采用中性盐雾试验（NSS）试验方法对PFA涂层的耐腐蚀性能进行检测，实验结果表明试样涂层耐腐蚀性等级均在D级以上，结果表明PFA涂层结合强度较高，致密性较高、抗渗透能力强，涂层对金属基体起到了良好的保护作用。同时实验也表明采用第一组烧结参数烧结得到的PFA涂层经过盐雾试验后试样表面无退色、无点蚀、无气泡、无鼓包、无脱落等缺陷，涂层外观等级为A级，而采用其他四组烧结参数烧结得到的涂层或多或少的存在一定的缺陷。（6）通过对涂层的外观检测和物理性能检测，五组实验数据对比说明了采用第一组烧结参数烧结得到的PFA涂层更加致密、均匀，表面光滑，有光泽，涂层具有更好的耐酸碱性和抗渗透性，而采用第三组和第五组烧结参数烧结得到的PFA涂层比第一组得到的涂层性能稍微差，但还在可以接受的合理范围内，但是采用第二组和第四组烧结参数烧结得到的PFA涂层的性能就差很多，尤其是附着力和耐腐蚀等级低于国家标准中的规定。所以将烧结温度误差控制10℃以内，绝对不能超过20℃，否则得到的涂层整体性能达不到防腐要求，影响涂层整体的使用寿命。（7）将不同厚度的涂层放置在30%氢氧化钠溶液中浸泡后观察涂层表面形貌，得到涂层厚度与对应的使用寿命之间的关系，粗略的估算出使用300μmPFA涂层对基体的保护时间可以达到3.4年，这说明PFA涂层可以很好的延长设备的使用寿命，带来巨大的经济效益，值得推广与应用。西安交通大学网络教育学院毕业论文参考文献［1］张吉晨．氧化铝生产设备应力腐蚀的防治［J］．全面腐蚀控制，2010，16(4)：19—26．［2］边洁，王威强，管从胜．金属腐蚀防护有机涂料的研究进展［J］．材料科学与工程学报，2009，21（5）：770－772．［3］李红梅.我国氧化铝蒸发技术现状及展望［J］.有色冶炼,2007,12(6)：3-5.［4］赵全生.浅议我国的涂料产量与涂料分类［J］.中国涂料,2008,9(4)：34-36.［5］Rong－GangHu，SuZhang，Jun－FuBu，etal．Recentprogressincorrosionprotectionofmagnesiumalloysbyorganiccoatings［J］．ProgressinOrganicCoatings，2012，73：129–141．［6］邵徽旺，李育珍，杨锐，等．金属防腐蚀有机涂料［J］．上海涂料，2007，45（2）：26－28．［7］王威强，管从胜．新型有机涂料在金属防腐蚀方面的应用［J］．材料科学与工程学报，2011，5（2）：14－17．［8］李育珍，郭登银．有机涂料的性能特征［J］．现代涂料与涂装，2010，12：24－27．［9］刘杨，范兆荣．涂料工业的绿色化发展趋势［J］．上海建材，2011，3：3－5．［10］管从胜，王威强．氟树脂涂料及应用［M］．北京：化学工业出版社，2004，319－321．［11］刘国杰，夏正斌，雷智斌．氟碳树脂涂料及施工应用［M］．北京：中国石化出版社，2005，5－14．［12］Y．Tabata，H．Suzuki，S．Ikeda．ModificationofPTFEanditsapplication［J］．RadiationPhysicsandChemistry，2013，84：14－19．［13］IezziRobertA，GabouryScott，WoodKurt．Acrylic－fluoropolymercoatings［J］．ProgressinOrganicCoatings，2001，43：207－212．［14］E．Leivo，T．Wilenius，T．Kinos，P．Vuoristo，T．Mantyla．PropertiesofthermallysprayedfluoropolymerPVDF，ECTFE，PFAandFEPcoatings［J］．ProgressinOrganicCoatings，2004，49：69－73．［15］朱友良．可熔性聚四氟乙烯树脂［J］．贵州化工，2005，30（2）：2－5．［16］任伟成．可熔性聚四氟乙烯（PFA）［J］．有机氟工业，2010，2：40－44．［17］李敏风，刘源．论重防腐涂料及涂装技术进展［J］．上海涂料，2013，4：38－42．［18］叶志龙．论环保粉末涂料及喷涂工艺探讨［J］．化工学报，2009，7：15－18．［19］陆刚．粉末涂料的静电涂装技术［J］．合成材料老化与应用，2012，41（6）：32－38．［20］李红生，王文丽．静电喷涂技术的应用［J］．涂料涂装与电镀，2004，2（4）：40－42．［21］南仁植．粉末涂料与涂装技术[M]．北京：化学工业出版社，2000．［22］L．Fedrizzi，P．Deflorian，S．Rossi，etal．Studyofthecorrosionbehaviourofphosphatizedandpaintedindustrialwaterheaters［J］．ProgressinOrganicCoatings，2006，42：65－73．［23］AdrianG．Bailey．Thescienceandtechnologyofelectrostaticpowderspraying，transportandcoating［J］．JournalofElectrostatics，2009，45（2）：85－90．［24］侯猛．粉末静电喷涂工艺［J］．现代涂料与涂装，2004，2：32－34．［25］庄光山，李丽，王海庆．金属表面涂装技术［M］．北京：化学工业出版社，2010，138－140．［26］梁治齐，熊楚才．涂料喷涂工艺与技术［M］．北京：化学工业出版社，2006，259－266．［27］林丽娟．粉末静电喷涂工艺［J］．城市建设，2010，21：56－58．［28］范玲玲．用于氧化铝蒸发器的氟树脂防腐涂层涂装工艺及性能研究［D］．江苏：常州大学机械工程学院，2014：58－59．［29］王建辉．用于光刻烘干的热板的研制［D］．吉林：中国科学院长春精密机械与物理研究所，2003：6－19．［30］刘国庆，杨庆东．ANSYS工程应用教程［M］．北京：中国铁道出版社，2000，29－76．［31］张朝晖．ANSYS热分析教程与实例解析［M］．北京：中国铁道出版社，2007，9－164．［32］吴文山，刘红．热管功率分布误差对加热板温度场的影响［J］．宁波大学学报，2010，3：48－50．［33］廖景娱，罗建东．表面覆盖层的结构与物性［M］.北京：化学工业出版社，2010，5－84．［34］AbdedSalamHamdy，AnnaMariaBeccaria．ImprovingthecorrosionprotectionofAA6061T6-10%Al2O3usingnewsurfacepre-treatmentpriortofluoropolymercoatings［J］．SurfaceandCoatingsTechnology，2002，155：84－187．［35］边洁，王威强，管从胜．表面预处理对PPS／FEP复合防腐涂层结合强度的影响［J］．中国表面工程，2007，6：42－46.［36］边洁．有机涂层附着力与金属表面预处理研究的新进展［J］．山东机械，2004，1：25－27．［37］王成杰．喷枪的操作技巧［J］．汽车维修与保养，2013，3：34－38．［38］J．B．Bajat，J．P．Popic，V．B．MiskovicStankovic．Theinfluenceofaluminiumsurfacepretreatmentonthecorrosionstabilityandadhesionofpowderpolyestercoating［J］．ProgressinOrganicCoatings，2010，69（4）：316－321．［39］管从胜，张明宗，熊金平，等．有机氟聚合物涂料及其在防腐中的应用［J］．腐蚀科学与防护技术，2006，12（3）：164－165．［40］王塘，李灿．涂装工程材料的应用规则［J］．石油化工设备技术，2005，26(4)：40-43．［41］国家技术监督局．GB11374．热喷涂涂层厚度的无损检测方法［S］．北京：中华人民共和国机械电子工业，2005．［42］易春龙．电弧喷涂技术［M］．北京：化学工业出版社，2006，210－237．［43］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB／T23711．1．氟塑料衬里压力容器电火花试验方法［S］．北京：中国石油和化学工业，2009．［44］国家标准局．GB1743．漆膜光泽测定法［S］．北京：中华人民共和国化学工业部，1979．［45］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB/T6739．色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度［S］．北京：中国石油和化学工业，2006．［46］王禹忱，申洪太．预热温度和保温时间对等离子涂层结合强度的影响［J］．焊接，2009，（2）：7－10．［47］苏修梁，张欣宇．表面涂层与基体间的界面结合强度及其测定［J］．电镀与环保，2004，24（2）：6－11．［48］FSpaepen．Interfacesandstressesinthinfilms［J］．ActaMetal，2010，（48）：41－42．［49］徐维普，徐滨士，张伟．高速电弧喷涂涂层的结合强度与结合方式研究［J］．热加工工艺，2007，36（7）：62－64．［50］孔德军，周朝政．划痕法表征TD处理制备的VC涂层界面结合强度［J］．航空学报，2012，33（2）：362－368．［51］DwightG.Weldom．Failureanalysisofpaintsandcoatings［M］．USA：JohnWiley﹠SonsLtd，2009，195－198．［52］国家标准局．GB1720．漆膜附着力测定法［S］．北京：中华人民共和国化学工业部，1979．［53］国家标准局．GB9266．色漆和清漆-划格试验［S］．北京：中华人民共和国化学工业部，1998．［54］国家技术监督局．GB/T10125．人造气氛腐蚀试验－盐雾试验［S］．北京：中华人民共和国机械电子工业，1997．［55］吴永忠，王文昌，孔德军．电镀法制备Ni－W合金镀层的耐盐雾腐蚀性能［J］．四川大学学报，2013，45：139－141．［56］V.R.S.SaBrito，I.N.Bastos，H.R.M.Costa．Corrosionresistanceandcharacterizationofmetalliccoatingsdepositedbythermalsprayoncarbonsteel［J］，MaterialsandDesign，2012，41：282－288．［57］黎完模，宋玉苏，邓淑珍．涂装金属的腐蚀［M］．长沙：国防科学大学出版社，2003，161－168．［58］张九渊．表面工程与失效分析［M］．浙江：浙江大学出版社，2003，390－398．［59］P．Jayaweera，D．M．Lowe，A．Sanjurjo，K．H．Lau，L．Jiang．Corrosion－resistantmetalliccoatingsonlowcarbonsteel［J］．\o"GotoSurfacea