材料的腐蝕與防護技術現狀
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2010-04-30
節選自《公路附屬設施金屬防腐材料與工藝的應用研究》
人類很早以前就開始了對腐蝕及防護技術的研究。我們的祖先早就對腐蝕與防護科學技術的研究做出了卓越的貢獻。從己經發掘出的春秋戰國時期的武器以及秦始皇時代的青銅劍和大量的弓箭來看，有的至今仍未銹蝕。經鑒定，在這些物件的表面上有一層含鉻的氧化物層，而金屬的基體中并沒有含鉻，說明該層保護層很可能通過人工氧化經高溫擴散處理得到的。也就是說，早在兩千多年前，中華民族就創造了與現代鉻酸鹽鈍化處理金屬相類似的金屬防護技術。
在20世紀初，由于化學工業及現代科學技術突飛猛進的蓬勃發展，經過電化學、金屬學等科學家的努力，通過系統而深入的研究工作，確立了腐蝕歷程的基本電化學規律，形成了一門獨立的金屬腐蝕學科。隨著經濟的發展，對化工產品的需求不斷增加，越來越多生產設備的運行超過設計能力，對設備的維護與管理對全球企業來講是保障企業安全穩定運行的重要基礎。而工藝設備因腐蝕發生事故并造成巨大的經濟損失已經成為迫在眉睫的問題，對防腐涂料的開發與生產成為世界各國競相爭奪的巨大市場。
據粗略估計，目前世界上防腐涂料的品種應達到2000多種，從低檔的瀝青、醇酸、酚醛、氯化橡膠系列涂料到中高檔的環氧酷、環氧、丙烯酸、聚氨酯、聚尿、有機硅和氟碳系列涂料，以滿足不同環境的需求。國外從事這個行業生產的公司眾多，產品的經營也千差萬別。目前，國外生產防腐涂料的公司主要有杜邦、巴斯夫、阿克蘇、諾貝爾和ICI公司等。有機聚合物是這些公司主要產品之一，為滿足涂料性能不斷提高的要求，這些產品的性能也在不斷進行改善。既重視產品的開發，在品種齊全的基礎上，又關注產品的質量，同時考慮降低成本，提高產品的性價比及市場競爭能力。
工業防腐涂料涉及的范圍十分廣泛，從被保護的底材可分為鋼鐵、混凝土、鋁合金等表面用的保護和裝飾涂料；按使用環境和用途又分為海洋、汽車、橋梁、石油化工、冶金、機械家電等各行業使用的防腐涂料；根據使用也可分為通用性涂料和重防腐涂料；按施工條件和方法分為常溫固化、高溫固化和輻射固化等涂料。近年來，隨著鋼鐵材料的大量使用，對鋼鐵材料的防腐涂料的開發倍受關注。目前主要的防腐涂料體系有以下幾種：
(1)環氧樹脂防腐涂料
由于環氧樹脂吐露具有優異的防腐性和耐化學品性，在防護涂料中已占主導地位。其對眾多底材具有極佳的附著力和良好的柔韌性，并可通過多種固化劑固化而獲得不同性質的漆膜。但它在低溫下固化慢，戶外耐候性能不理想。采用環氧改性聚氨醋樹脂涂料，其固含量高，分子量大的環氧樹脂與多異氰酸酷反應速度快，但施工周期短，不適合間斷施工。分子量低的環氧樹脂與多異氰酸酷反應交聯密度低，涂料的黏度小，涂層厚度不易滿足施工要求。將環氧樹脂對丙烯酸進行改性(日本關西公司開發)成功兼備環氧樹脂的防腐性和丙烯酸樹脂的耐候性，并具有底面合一的性能。涂料涂布量較少，揮發性有機污染物排放可減少10%，總涂裝成本僅為傳統涂料的75%。
(2)玻璃鱗片防腐涂料
普通高聚物防腐吐露的涂層一般都存在結構孔隙，在成膜過程中因溶劑揮發造成針孔和收縮應力產生裂紋。這不僅給涂層造成缺陷，還難以抵御腐蝕介質的滲透，形成膜下腐蝕，無法滿足長效防腐的需求。在涂料中材料玻璃鱗片等片狀填料，可制備高固體份的玻璃鱗片防腐涂料，它具有優良的耐化學腐蝕性和抗老化性能，不易出現涂層的龜裂和剝落現象，具有優異的附著力和抗沖擊作用。由于它多以環氧樹脂作為成膜材料，在低溫固化和戶外使用方面的性能較差。
(3)氯化橡膠涂料
它以天然橡膠或合成橡膠為主，具有快干性、耐化學腐蝕性，涂層的柔韌性好，防水耐磨，抗老化性能優異，但固含量低，耐紫外線性能差，不適合戶外使用。
(4)丙烯酸(酯)涂料
該涂料具有良好的保色保光性能，在裝飾性能方面作用明顯。在防濕熱、防鹽霧和防霉菌方面具有突出的性能。丙烯酸酷涂料作為一種新型涂料隨著石油化工工業的迅速發展成本不斷降低，質量不斷提高，已經成為發展最為迅速的樹脂涂料。
(5)聚氨酯防腐涂料
聚氨醋樹脂涂料的優點在于可以低溫固化，它與環氧底漆的配合使用可以成為重防腐涂裝體系。但對鋼構架和海洋構造物的防腐常存在涂層易變色、粉化，固化時間長、涂裝次數多的缺點。
(6)聚酯樹脂防腐涂料
聚脈防腐涂料是一種綜合性能獨特的防腐體系，如快速固化(甚至在冰點以下可以固化)，在只噴涂一層就可以形成高結構的漆膜，不含有機揮發份，低溫條件下韌性好。目前，大部分的聚脈涂料體系是主要為芳香族產品，由MDI預聚物、聚氧化丙烯氨和芳香胺類組成。該類產品在色澤和保色性方面仍存在缺陷，對漆膜外觀要求高的外用面漆的應用存在一定的局限性。對底材的附著力不好，仍需要通過涂裝低漆改善對底材的附著力。該類涂層的抗化學品的性能也存在比較大的缺陷，特別是對溶劑和強酸的浸漬應用方面受到限制。
(7)氟碳樹脂防腐涂料
氟碳樹脂防腐涂料是一種新型的防腐體系，具有超耐侯性(經戶外長期使用和人工加速老化試驗表明，可在戶外使用20年以上)、耐腐蝕和耐化學品性、耐污染性(具有自我潤滑的表面，表面光滑，粘附性小，不易被污染，即使被污染也非常容易清洗)、優異的施工性能、高裝飾性(可調配出實體色、金屬色、珠光色、特殊色等各種色彩和低、中、高等各種光澤)和耐溫性。目前由于氟碳樹脂的價格原因，使其在應用方面受到一定的限制。
近年來，利用現有的涂層技術，針對涂層的性能添加納米材料，合成納米復合體系防腐涂層材料。納米涂層的實施對象既可以是傳統材料的基體，也可以是粉末顆粒或是纖維材料，主要用于表面修飾、包覆、改性和添增新的特性。納米材料涂層可以提高涂層的硬度和耐磨性能，也可提高基體的防腐能力，同時達到表面裝飾、修飾的目的。在成膜基料中加入添加納米組分還可以提高涂層的耐鹽蝕和耐紫外線侵害的能力，從而實現防降解、防老化等功能。由于納米粒子組成的粉體材料，其顆粒尺寸在1～100nm之間，這一尺度范圍與物質中的許多特征長度相當，使納米粉體材料的物理和化學特征產生了不同于原子和分子等微觀結構以及宏觀物體的特異性能[14]。在眾多的納米涂層復合材料中，真正較為成熟并已近產業化的是納米510:粉末涂層復合材料，關于這方面的研究己有不少報道[15～20]。對傳統涂料而言，由于固化后的涂層在微觀上是一個高分子網狀結構加上大顆粒顏填料構成的，存在“結構孔”的微觀結構，容易產生膜下腐蝕。含有納米粉體材料的涂層正好填充了傳統有機涂層無法避免的“結構孔”，理論上講，可以形成幾乎無孔的致密涂層，這是傳統涂料無論如何也不可能實現的。因為納米填充的涂層基本上杜絕了環境中各種腐蝕介質的滲入，可以實現環境介質在涂層中的“零滲透”。從而提高涂層的綜合性能這是納米涂層實現優異防腐性能的內在原因。
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