月桂酸微波反应制备焊条抗吸潮膜研究

陈文君，桂赤斌，孙 吉

(1.海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033；2.华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

焊接材料

月桂酸微波反应制备焊条抗吸潮膜研究

陈文君1，桂赤斌2，孙 吉1

(1.海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033；2.华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074)

利用月桂酸微波反应的方法在焊条药皮表面制备了抗吸潮保护膜。将烘干的焊条放入溶有一定量月桂酸和Fe3O4粉末的石油醚溶液中，取出烘干后进行微波反应，使焊条表面具有抗吸潮性能。用FT-IR、SEM、EDS对所得焊条保护膜的成分和形貌进行了分析，并进行了熔敷金属扩散氢测试。研究结果表明，Fe3O4在吸收微波后能融化月桂酸并使其与焊条表层反应，形成与焊条表面结合牢固的保护膜，有效阻止水分进入焊条内部。这使焊条保存0～8h其扩散氢含量基本无变化，为未经表面处理焊条扩散氢含量的87%。Fe3O4粉末在焊接过程中进入电弧空间强化气氛的氧化性，有效提高了电弧气氛的去氢能力。

吸潮；保护膜；焊条；微波；月桂酸

0 前言

在目前常用的焊条电弧焊接过程中，由于存放和使用条件限制，焊条不可避免地会与空气接触一段时间而吸潮，增加药皮含水量。特别是在舰船焊接及其他野外施工场合，焊条吸潮更加严重，焊条吸潮后进行焊接时，容易在焊缝中形成氢气孔，使焊接接头强度下降。氢对焊接质量具有很大的危害性，高强钢焊接接头含氢量越高，则越容易产生裂纹。工人在用低氢焊条焊接高强钢前，必须将焊条在400℃～450℃下保温1～2 h，然后放入保温筒内防止再次吸潮，这给工人使用造成很大不便。

由于牵涉到巨大的经济利益，国内外文献对抗潮性能关键技术的报道很少，目前相关研究主要集中在改变焊条药皮成分[1]或在焊条表面涂覆高分子有机物方面[2-3]。我国很多焊条在抗潮性上远远落后于进口焊条，即使在高温烘干之后立即进行焊接，也会有吸潮现象，因此国内的许多大型工程建设仍然采用昂贵的进口焊条。焊条在使用时一般会在拆开包装8 h内使用完毕，如何减少焊条拆封之后的吸潮现象，研究抗吸潮型焊条对于提升我国焊接材料的品质，打破国外垄断，具有重要的意义。

月桂酸可以来源于自然界的椰子油、月桂油，由于具有较好的疏水性能，有不少学者对利用其作为无机物的改性剂进行了研究[4-8]。由于月桂酸吸收微波的能力较弱，本研究在进行焊条表面处理过程中加入了对微波吸收较好的Fe3O4粉末[9]，Fe3O4粉末吸收微波后融化吸附在表面的月桂酸，同时在焊接过程中形成氧化性气氛，使焊缝金属中的扩散氢含量降低。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

月桂酸(分析纯)，Fe3O4(化学纯)，石油醚(分析纯)，碱性焊条CJ507(武汉铁锚焊接材料股份有限公司)。

1.2 试验方案

将一定量月桂酸加入石油醚中，水浴后使之溶解，然后向溶液中加入一定质量分数的Fe3O4粉末；将已经在400℃烘箱中烘干2 h的焊条完全浸入上述溶液中后取出，烘干后放入微波炉中进行反应。

用JSM 5510LV扫描电子显微镜(SEM)对微波处理后的焊条药皮进行观察，并小心刮取焊条表面粉末，用Nicolet 6700红外光谱仪进行FT-IR测试，参照GB／T3965-1995标准对焊条进行扩散氢测试，其中未经表面处理的焊条在400℃下烘干2 h后立即进行焊接，微波表面处理后的焊条无需烘干，在20℃、相对湿度RH55%条件下放置一定时间后进行焊接。

2 试验结果与分析

2.1 FT-IR分析

将焊条从石油醚溶液中取出时，石油醚迅速挥发，焊条表面留下一层月桂酸膜，图1a为这层月桂酸膜的红外光谱图。通过与月桂酸的标准红外光谱图对比可知，两图都有在1 701 cm-1处的羰基伸缩振动吸收峰，但图1a中并未产生月桂酸盐的特征峰，这说明月桂酸仅是在焊条表面发生了物理吸附，并未与焊条表面物质发生反应。图1b为将焊条放入微波炉中进行微波反应后形成的保护膜(LF膜)的FT-IR结果，如图所示，月桂酸在焊条表面产生了化学反应，产生了1 539 cm-1的吸收峰，同时饱和脂肪酸的强特征峰1701cm-1明显减小，并向高波数1720 cm-1移动，表明月桂酸中的羧基与焊条表面发生化学反应形成了月桂酸盐，这与文献[10]的研究结论一致。

图1 焊条表面月桂酸膜的红外光谱Fig.1 IR spectra of lauric acid and microwave reacting film

2.2 SEM分析

图2a为未经表面处理的焊条表面。由图2a可以看出，焊条表面结构非常疏松，空气中的水分极易进入焊条内部，使熔敷金属扩散氢含量升高。由于Fe3O4粒子吸收微波后产生高温，使得月桂酸与焊条表层发生化学反应，形成微波反应膜。图2b为微波反应后形成焊条保护膜的形貌，由图2b可以看出LF膜成块覆盖在焊条表面，有效阻止水分进入焊条内部。LF膜与月桂酸膜的区别是：前者是由月桂酸与焊条表面反应后形成的，在焊条表面结合牢固，不易脱落；而月桂酸膜是由于石油醚的挥发而吸附在焊条表面的，与焊条表面结合不紧密，容易成块脱落而导致薄膜失去保护作用。

图2 月桂酸微波反应前后形成的保护膜Fig.2 SEM images of lauric acid films by microwave reaction

2.3 保护膜的抗水情况

LF膜是经月桂酸微波反应后形成的，由于其长链烷基的存在，使焊条具有很好的疏水性。图3为焊条保护膜抗水效果图，由图3可以看出，将水直接滴在微波处理后的焊条表面，水分立即在焊条表面凝聚成露珠一样的水滴；而未经表面处理的焊条迅速吸收水分，使焊条表面变得很潮湿，这充分证明对焊条的表面微波处理是成功的。

图3 焊条保护膜的疏水效果Fig.3 Hydrophobic property of water-resistant electrode film

2.4 焊条横截面和保护膜元素分析

图4为焊条横截面的SEM形貌和EDS元素面扫描分析结果，由SEM图可以看出，焊条内部有很多孔隙，空气中的水分进入焊条内部之后就很难全部蒸发出来。图4b～图4e为Ca、C、O、Si的元素面扫描分析结果，由图可以看出，由于焊条中含有较多的大理石、萤石、硅铁、石英等成分，图中Ca、O、Si等元素分布较广，而C的含量相对较少。

表1为焊条表面LF膜的EDS分析结果，由表可知抗吸潮焊条表面摩尔分数最多的元素是C和O，分别占摩尔分数的33.38%和28.00%，其次是Si、Ca等元素。焊条表面在微波反应前只有月桂酸膜存在，即应当只有C、O、H元素，由前述红外光谱实验的结果可知，此处的金属元素的出现，是由于月桂酸与药皮表面的无机物在高温下成盐所致。

表1 焊条抗吸潮膜的EDS分析Tab.1 EDS results in electrode coating

2.5 扩散氢测试

为了研究焊条表面抗吸潮保护膜对扩散氢的影响，将未经处理的焊条与经微波表面处理的焊条进行了熔敷金属扩散氢对比试验。图5为未经处理的焊条和经表面处理后的两种焊条在20℃、相对湿度RH55%环境下放置时，扩散氢含量随放置时间的变化关系(其中未经处理的焊条经400℃烘干2 h取出后开始计时，经微波表面处理的焊条在微波反应结束后开始计时)。由图可知，经微波表面处理的焊条放置0～8 h焊接的扩散氢含量基本不变，其熔敷金属扩散氢降低为未经处理焊条在烘干后立即焊接时的87%；而未经表面处理的焊条烘干后极易吸潮，使焊缝熔敷金属扩散氢含量随焊后放置时间的延长快速升高，尤其在烘干后前4 h扩散氢的含量升高速度最快，这说明微波处理后焊条表面的保护膜能有效阻止水分进入焊条内部。同时焊条保护膜内的Fe3O4在焊接时能增强电弧空间的氧化性，减少熔敷金属中氢的含量。由于使用本方法制备的抗吸潮焊条无需改变原药皮成分，将经表面处理的焊条与原焊条同时对Q235钢进行焊接试验，其焊接工艺性能和机械力学性能均无明显变化。

图4 焊条横截面SEM形貌和元素面扫描分析Fig.4 SEM photos of electrode

图5 焊条的扩散氢随放置时间变化曲线(20℃,RH55%)Fig.5 Variation of diffusible hydrogen with stoving time

2.6 LF膜反应模型

月桂酸在焊条表面发生微波反应，使焊条产生了良好的抗吸潮效果，抗吸潮膜的形成过程如图6所示。焊条从石油醚溶液中取出时，在焊条保护膜中同时含有Fe3O4粒子和月桂酸分子，但常温下两者并不反应。在微波加热后，保护膜温度升高，Fe3O4粒子由于磁力作用靠拢焊条表面，同时Fe3O4吸收微波后温度迅速升高，与月桂酸分子发生反应，月桂酸中的羧基在高温下可以与焊条表面和Fe3O4发生化学反应，从而在焊条表面形成牢固的反应膜。

3 结论

(1)月桂酸微波反应制备的焊条抗吸潮保护膜在焊条表面结合牢固且具有较好的抗水性能。红外光谱、扫描电镜、元素分析结果表明，焊条表面月桂酸膜1 701 cm-1的羰基伸缩振动峰明显减小，同时产生了1 539 cm-1的月桂酸盐吸收峰；保护膜在焊条表面结合牢固，能有效防止水分进入焊条内部。

(2)在微波反应制备抗吸潮膜的过程中引入了Fe3O4，使月桂酸与焊条表层发生反应形成微波反应膜，同时增强了焊条电弧空间的氧化性，使经微波处理的焊条熔敷金属扩散氢降低为未经处理焊条的87%；且抗吸潮焊条经0～8 h放置，其熔敷金属扩散氢含量基本无变化。

[1]周飞霓，曾 平，季益好.低氢型焊条药皮抗吸潮性研究[J].焊接，2006(4)：38-40.

[2]周国一.免烘干焊条：中国，CN 2762936Y[P].2006-03-08.

[3]雷廷扬.一种自防潮焊条：中国，CN 1169350A[P].1998-01-07.

[4] Fu Qingtao，He Tingting，Yu Lianqing，et al.Synthesis and characterization of γ-alumina nanospheres templated by lauric acid[J].Journal of Natural Gas Chemistry，2010，19(6)：557-559.

[5] Phillip P，Sophie H W.Kinetics of dodecanoic acid adsorption from caustic solution by activated carbon[J].Journal of Colloid and Interface Science，2003(266)：245-250.

[6] Wang Chengyu，Piao Cheng，Zhai Xianglin，et al.Synthesis and characterization of hydrophobic calcium carbonate particles via a dodecanoic acid inducing process[J].Powder Technology，2010(198)：131-134.

[7] Ahmet S，Ali K，Cemil A.Preparation，characterization and thermal properties of lauric acid／expanded perlite as novel form-stable composite phase change material[J].Chemical Engineering Journal，2009(155)：899-904.

[8] Makio I，Shintaro T，Atsushi U，et al.Dynamical dimer structure and liquid structure of fatty acids in their binary liquid mixture：dodecanoic and 3-phenylpropionic acids system[J].Chemistry and Physics of Lipids，2004(129)：195-208.

[9]刘韩星，欧阳世翕.无机材料微波固相合成方法与原理[M].北京：科学出版社，2006.

[10]罗 曼，关 平，刘文汇.利用红外光谱鉴别饱和脂肪酸及其盐[J].光谱学与光谱分析,2007，27(2)：250-253.

Preparation of water-resistant electrode coating with lauric acid by microwave reaction

CHEN Wen-jun1，GUI Chi-bin2，SUN Ji1
(1.College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.College of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Water-resistant film of electrode is prepared by microwave reaction.Microwave absorption material Fe3O4 is used to reduce the diffusible hydrogen of weld bead，and promote the reaction of lauric acid and electrode surface.Electrode is immersed to the light petroleum solution of lauric acid and Fe3O4，then the electrode is put into the microwave oven and become water-resistant.The results of FT-IR and SEM microscope show that Fe3O4absorb microwave and lead to the reaction of lauric acid and electrode surface.The diffusible hydrogen of the deposited metal of microwave treated electrode decreased to 87%of the untreated electrode,and it does not vary with the stoving time within 8 h.

absorbing moisture；protecting film；electrode；microwave；lauric acid

TG422.1

A

1001-2303(2011)10-0001-05

2011-03-30；

2011-06-28

广东省教育部产学研结合资助项目(2010A090200034)

陈文君(1983—)，男，湖南株洲人，博士，主要从事船用焊接材料研究。