锌铝涂镀涂料在变压器散热器上的应用及耐蚀性能研究

第52卷第10期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.10 2023年10月 Liaoning Chemical Industry October，2023
收稿日期： 2022-02-08 锌铝涂镀涂料
在变压器散热器上的应用及耐蚀性能研究李兴海1，郭映福1，殷跃军2，刘伟华3*，赵焕3，赵金玲3
（1. 青海盐湖三元钾肥股份有限公司，青海 格尔木 816099；
2. 沈阳市航达科技有限责任公司，辽宁 沈阳 1100340；
3. 中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 110016）
摘 要： 电力设施优良的耐腐蚀性是电力系统可靠长期运行的重要保障因素之一。

变压器片式散热器及所属部件是易发生腐蚀的薄弱环节，需要更高耐蚀性能的防护技术。

以片状锌、铝粉为主要填料、改性环氧树脂为成膜物，开发出室温固化的锌铝涂镀涂料，并对其涂层基本性能、电化学性能以及中性盐雾性能进行研究，并与热镀锌层进行对比。

结果表明：锌铝涂镀涂料制备简单，施工方便，可喷涂刷涂；涂层电极电位-985 mV，可对基体进行牺牲阳极的保护作用；08Al钢板上，涂层结合力为11.78 MPa，中性盐雾实验1 000 h无红锈（涂层厚度40 μm），表现出超过热镀锌的防护效果。

该涂料具备用于变压器散热器片的应用前景。

关 键 词：变压器散热器；锌铝涂镀；耐蚀性能；电化学
中图分类号：TQ630.7 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）10-1445-04
察尔汗盐湖是我国目前探明的最大钾镁盐矿，盐类资源储量超过600亿t，潜在经济价值达数十万亿元[1]。

盐湖资源开发在我国西部经济建设中有着重要的地位。

与工业大气环境及海洋大气环境不同[2-3]，盐湖地区干旱少雨、寒冷多风，阳光辐照强烈，由于盐湖水的扰动弥散，大气中盐含量高，腐蚀作用强[4-5]。

随着盐湖资源开发的快速发展，金属材料在盐湖环境中的腐蚀和防护问题成为突出问题。

电力设施的长期稳定运行是盐湖资源开发的重要保障因素之一。

电力变压器用片式散热器为空壳多层叠加结构、用料薄、三维刚性差异大，是变压器所属部件中易发生腐蚀的薄弱环节，其表面防护是变压器可靠运行的关键技术环节,目前大多采用热镀锌的处理技术[6-7]，但热镀锌处理技术对工件尺寸有所限制，并且处理后散热器片易变形，镀锌层易流挂，镀层厚度不能精确控制，在盐湖大气环境下耐蚀性能欠佳，且难以实现户外和现场施工，维护成本较高[8]。

开发适用于电力变压器散热器的长效防护涂层技术，具有实际意义和应用价值。

本文采用高纯度片状锌、铝粉为主要填料、改性环氧树脂为成膜物，制备具有高防护性能的锌铝涂镀涂料，并研究其电化学性能及防护性能，同时与热镀锌技术进行对比，考察该涂料适用于变压器散热器材料长效防护的可行性。

1 实验部分
1.1 涂料及涂层制备
本文采用片状锌粉和片状铝粉为主要填料，酚醛改性环氧树脂为成膜物，其中，超细锌粉55%、铝粉20%、改性环氧树脂10%、表面活性剂0.1%~0.2%，消泡剂0.1%~0.2%，二甲苯适量。

按比例将树脂、锌粉、铝粉、溶剂和助剂加入搅拌器，室温搅拌6 h，制得涂料，命名为HD5002锌铝涂镀涂料。

施工时，将锌铝涂镀涂料与聚氨酯固化剂按6∶1比例混合后，进行样板喷涂（可刷涂）。

涂层经常温干燥，表干2 h，实干24 h，7天后可进行性能测试。

实验基体材质为电力变压器散热器片常用的08Al钢板。

涂层厚度40±5 μm。

热镀锌涂层厚度为50±5 μm。

1.2 性能测试
涂层基本性能，包括硬度（GB/T 6739—2006）、耐冲击性能（GB/T 1732—93）、柔韧性能（GB/T 1731—93）、附着力性能（GB/T 5210—2006）、导热系数（GB/T 22588—2008），均依据相关标准进行。

动电
1446 辽 宁 化 工 2023年10月 位极化曲线采用EG&G公司的Princeton M263恒电
位仪及M352软件进行测试，扫描速度为0.5 mV/s。

电化学阻抗谱采用EG&G公司的Model-273型恒电位/恒电流仪及5210锁相放大器组成的M398交流阻抗测量系统，测试频率范围为10-2~105 Hz，正弦交流波信号的振幅为5 mV。

测试采用三电极体系，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片，研究电极为涂层，研究电极面积为3.14 cm2，溶液为 50 g/L的NaCl水溶液，pH=6.5~7.2。

中性盐雾试验采用上海衡鼎仪器设备厂HDYW-120型号盐雾箱依据标准GB/T 1771—2007进行。

2 结果与讨论
2.1 基本性能
涂层干膜金属含量大于70%，等效锌含量大于90%（等体积锌粉替换铝粉计算）。

片状锌铝粉在改性环氧树脂的粘接下层层叠叠、紧密排列，在涂层中分散均匀，无团絮。

涂层的硬度、附着力、导热系数等基本性能指标如表1所示，可以看到涂层与基体金属具有较好的附着力，弯曲性能、冲击性能俱佳。

表1 涂层基本性能
项目 指标
涂层硬度/ H 2
附着力/ MPa 11.78
弯曲/ mm 1
冲击/（kg·cm-1） 50
导热系数/ W/ (m·K-1) 0.421
2.2 动电位极化曲线
将锌铝涂镀涂层和热镀锌涂层在5%NaCl溶液中进行动电位极化曲线测试，所得曲线如图1所示，拟合的电化学性能参数列于表2中。

可以看出，锌铝涂镀涂层电极电位为-985 mV，与热镀锌-1 072 mV接近，可对基体钢材起到牺牲阳极保护作用[9]。

尽管其自腐蚀电位较热镀锌层稍大，但自腐蚀电流远远小于热镀锌层，这可归因于有机树脂和超薄超细片状锌铝粉阻碍腐蚀介质的渗入路径，减缓腐蚀的发生[10]。

锌铝涂镀涂层中含有一定量的有机树脂，因此涂层的极化电阻远大于热镀锌层，说明锌铝涂镀涂层较热镀锌层具有更为优异的电化学性能，不易发生腐蚀。

图1 锌铝涂镀涂层及热镀锌涂层的动电位极化曲线
表2 涂层电化学极化参数
涂层类型 极化电阻/Ω 自腐蚀
电位/mV
自腐蚀
电流/(A·cm-2) 锌铝涂镀涂层 29 597 -985 8.814 1 E-7热镀锌 136 -1 072 1.913 2 E-4
2.3 锌铝涂镀涂层电化学阻抗谱结果与分析
采用交流阻抗的方法，对锌铝涂镀涂层的腐蚀过程及失效机制进行分析，浸泡不同时间的Nyquist 图谱反映了涂层发生腐蚀的基本过程[11]。

由图2可以看出，浸泡开始，阻抗谱上只有一个不完整的容抗弧，等效电路图可用图3(a)表示。

此时涂层与腐蚀介质基本隔绝，腐蚀介质尚未渗入涂层发生腐蚀反应。

随着浸泡时间的延长，容抗弧的半径逐渐减小，说明涂层的电阻逐渐降低，这是由于腐蚀介质渗入并逐渐破坏锌铝粉的表面膜（有机物膜层及氧化物膜），降低了表面电阻。

浸泡至2天时，阻抗谱呈现出两个时间常数的特征，等效电路图可图3(b)表示，此时腐蚀介质已经到达锌铝粉与树脂的界面，引起锌铝粉的电化学反应，第一个时间常数与涂层的电阻和电容有关，第二个时间常
数与锌铝粉的腐蚀反应电阻和双电层电容有关。

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图2 锌铝涂镀涂层在5%NaCl 溶液中不同浸泡时期
的典型Nyquist
图
图3 锌铝涂镀涂层阻抗谱的等效电路图
浸泡至49天时，阻抗谱呈现出明显的Warburg 扩散特征[12]
，等效电路图可用图3(c)表示，此时涂层表面已经出现了宏观可见的鼓泡和锈点，继续浸泡，涂层表面的起泡区和锈点都逐渐增大增多，涂层已经失去了阻挡保护作用，阻抗谱的特征则表现为基底金属上的电极过程。

2.4 中性盐雾试验
锌铝涂镀涂层和热镀锌的中性盐雾试验结果如图4所示。

（a）锌铝涂镀涂层
（b）热镀锌涂层
图4 涂层中性盐雾试验照片
可以看出，锌铝涂镀涂层试样从720 h 开始出
现鼓泡现象，腐蚀介质渗入到涂层与基体之间，将涂层鼓起，但此时并没有产生红锈，说明涂层中的锌铝粉对基体金属起到阴极保护作用，腐蚀介质并
未对基体金属造成腐蚀损伤。

随着试验时间的延长，到1 000 h 时试板上鼓泡越来越多，并有少量红锈点出现，到1 670 h 时试板上出现大面积红锈。

热镀锌工艺处理的试板在盐雾试验进行到20 h 时就出现大量白锈，70 h 时白锈中出现红锈，到180 h 时即已出现大面积红锈，失去保护作用。

可以看出，锌铝涂镀涂层的耐中性盐雾性能明显优于热镀锌。

锌铝涂镀涂层具有较高盐雾寿命的主要原因是，初期涂层中的有机物质作为有机屏蔽层可以阻挡腐蚀介质的进入。

有研究表明，有些小分子的腐蚀介质可以渗透有机涂层[13]
，当腐蚀介质进入涂层以后，涂层中的锌铝粉与腐蚀介质反应，对基体金
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属起到持久的阴极保护作用[14]。

同时锌铝粉发生反应后的腐蚀产物进一步起到阻挡腐蚀介质进入的作用，因此涂层表现出优异的耐腐蚀性能[15]。

3 结 论
本文采用高纯度片状锌、铝粉为主要填料、耐温改性环氧树脂为成膜物，开发出室温固化的锌铝涂镀涂料，实现电力变压器散热器材料的长效防护：片状锌铝粉构建层状屏蔽结构，涂层电位-980 mV，表现出受控牺牲阳极保护作用，涂层与基体结合力好（11.78 MPa），40 μm厚度的涂层，其耐中性盐雾达到1 000 h，表现出良好的防护效果，远超过热镀锌层。

与热镀锌和粉末渗锌等技术[16]相比，锌铝涂层技术用于电力变压器用散热器防腐中具有施工容易，维护成本低，耐蚀性能好等，有望取代热镀锌技术用于电力变压器用散热器中。

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Study on Application and Corrosion Resistance of Zinc-Aluminum
Composite Coating for Transformer Radiator
LI Xing-hai1, GUO Ying-fu1, YIN Yue-jun2, LIU Wei-hua3, ZHAO Huan3, ZHAO Jin-ling3
（1. Qinghai Salt Lake Sanyuan Potassic Fertilizer Co., Ltd., Geermu Qinghai 816099, China;
2. Shenyang Hangda Technology Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110043, China;
3. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang Liaoning 110016, China）
Abstract: Excellent corrosion resistance of power facilities is one of the important guarantee factors for reliable long-term operation of power system. The chip radiator and its components are vulnerable to corrosion, so it needs protection technology with higher corrosion resistance. In this paper, a room temperature curable zinc aluminum composite coating was developed with flake zinc and flake aluminum as main fillers and modified epoxy resin as film-forming materials. The basic properties, electrochemical properties and neutral salt spray properties of the coating were studied and compared with hot-dip zinc coating. The results showed that,the zinc aluminum coating was easy to prepare, convenient to apply, and could be sprayed and brushed; the electrode potential of the coating was - 985 mV, which could protect the substrate as sacrificial function; On 08Al steel plate, the adhesion of the coating was 11.78 MPa, and there was no red rust (coating thickness was 40 μm) after neutral salt spray test for 1 000 h, showing the better protective performance than that of hot dip galvanizing. So, it can be regarded as a new technology for the application of transformer radiator. Key words: Transformer radiator; Zinc-aluminum composite coating; Corrosion resistance; Electrochemistry。