新型环氧基极地船舶用破冰涂料低温耐磨耐蚀性能研究

孙士斌¹, 史常伟¹, 王东胜², 常雪婷², 李明春³

1 上海海事大学物流工程学院 上海 201306

2 上海海事大学海洋科学与工程学院 上海 201306

3 海洋化工研究院有限公司 青岛 266001

中国腐蚀与防护学报  2024, Vol. 44  Issue (5): 1177-1188

CSTR: 32134.14.1005.4537.2024.001

DOI: 10.11902/1005.4537.2024.001

摘要: 将改性后的玄武岩粉(BP)和云母粉作为填料，以环氧树脂(EP)为基体开发了适用于极地船舶破冰区域使用的耐磨耐蚀复合涂层。鉴于冰区航行的海冰-海水摩擦腐蚀耦合作用使用条件要求，主要开展了涂层结合力、硬度测试，海水浸泡耐蚀性实验以及不同载荷和温度下低温模拟冰载荷摩擦磨损实验。实验结果表明：随着云母粉、玄武岩粉的骨料填料分别从10%(质量分数)增加到20%的变化，低温复合涂层与基体的结合力从1级降低为2级，维氏硬度提高约20%，耐腐蚀性能得到相应提升，摩擦系数也呈现出减小的趋势，耐磨性得到近50%的显著提升，体现出耐磨减阻效果。此外，随着温度的降低，极地船用低温涂层的磨损性能呈现先降低后增加的趋势，磨损率从0.3151 mm³/(N·m)降低到0.0962 mm³/(N·m)后又增加到0.1949 mm³/(N·m)，在0℃环境时磨损率最小，耐磨性最好，说明温度对涂层的耐磨性能影响较大。更佳的骨料含量比可以显著的提升复合涂层的低温耐磨性，磨损量更低。

关键词：极地船舶,  涂料,  环氧树脂,  低温摩擦

图1   2种BP/EP涂层划痕测试后的表面形貌

Fig.1   Surface morphologies of BP-2/EP (a, c) and BP-1/EP (b, d) coatings after scratch test

图2   2种BP/EP涂层浸泡前后的维氏硬度

Fig.2   Vickers hardnesses of two BP/EP coatings before and after soaking

图3   BP/EP涂层电化学阻抗谱等效电路图

Fig.3   Equivalent circuit diagrams of electrochemical impedance spectroscopies of unsoaked (a, b) and soaked (c) BP/EP coatings

图4   2种BP/EP涂层在3.5%NaCl溶液中的Nyquist 图

Fig.4   Nyquist plots of BP-1/EP (a) and BP-2/EP (b) coatings in 3.5%NaCl solution

图5   2种BP/EP涂层在3.5%NaCl溶液Bode图

Fig.5   Bode plots of BP-1/EP (a) and BP-2/EP (b) coatings in 3.5%NaCl solution

图6   不同载荷下2种涂层分别与海水和海冰的摩擦系数曲线

Fig.6   Coefficient curves of friction between BP/EP coatings and seawater (a) or sea ice (b) under different loads

图7   2种BP/EP涂层与海水摩擦后的磨痕形貌

Fig.7   Wear morphologies of two BP/EP coatings after friction test with seawater at 80 N (a) and 120 N (b)

图8   2种BP/EP涂层湿摩擦后磨痕三维形貌图

Fig.8   3D morphology diagrams of grinding cracks of BP-1/EP (a) and BP-2/EP (b) coatings after wet friction test

图9   2种BP/EP涂层在-20℃~20℃范围的摩擦系数变化曲线

Fig.9   Variations of friction coefficients of BP-1/EP (a, b) and BP-2/EP (c, d) coatings under 80 N (a, c) and 120 N (b, d)

图10   2种BP/EP涂层在-20℃~20℃范围平均摩擦系数随温度的变化曲线

Fig.10   Temperature dependences of average friction coefficients of two BP/EP coatings under 80 N (a) and 120 N (b)

结论：

(1) 云母粉、玄武岩粉的填料含量添加越多对极地低温涂层与基体的结合力起到降低作用；

(2) 该新型环氧基涂料能够满足极地破冰船的基本使用需求，符合《极地船舶指南》中的关于涂层设计标准：具有高附着力、耐剥落、耐腐蚀和低摩擦特性的耐磨涂层(聚氨酯和环氧型)。虽然增加填料含量能够显著提升涂层的耐腐蚀性能，但是在通过冷冻浸泡后，较多填料含量的BP-2/EP涂层的耐蚀性下降较为明显，主要是因为水分子与腐蚀介质的扩散导致内部反应活性加快，扩散速率加快，加剧腐蚀效应；

(3) 在海水环境中，硬质填料的添加量越多，涂层的耐磨性较好，但是随着载荷的增加，其耐磨性能也会降低；

(4) 随着温度的降低，制备极地船用低温涂层的磨损性能呈现先降低后增加的趋势，在0℃环境时磨损率最小，耐磨性最好。随着温度的进一步降低，磨损率都存在着相应的增大现象，耐磨性减弱，BP-2/EP极地船用涂料的耐磨性能要优于BP-1/EP涂层。

本文引用格式：

孙士斌, 史常伟, 王东胜, 常雪婷, 李明春. 新型环氧基极地船舶用破冰涂料低温耐磨耐蚀性能研究. 中国腐蚀与防护学报[J], 2024, 44(5): 1177-1188 DOI:10.11902/1005.4537.2024.001

SUN Shibin, SHI Changwei, WANG Dongsheng, CHANG Xueting, LI Mingchun. Low Temperature Wear and Corrosion Resistance of Epoxy Based Polar Marine Ice Breaking Coatings. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2024, 44(5): 1177-1188 

DOI:10.11902/1005.4537.2024.001