防腐涂料的現(xiàn)狀與進(jìn)展

張海懿 王萌

Status and Progress of Anti-corrosion Coating

摘要：金屬腐蝕每時(shí)每刻都在大量吞噬著人類(lèi)的財(cái)富和資源。在防腐蝕的許多方法中，使用防腐涂料是最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。本文綜述了防腐涂料的主要特性及分類(lèi)、應(yīng)用和發(fā)展方向，重點(diǎn)介紹了石墨烯、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯和玻璃鱗片等防腐涂料及國(guó)外防腐涂料的研究進(jìn)展。

Abstract： Metal corrosion is engulfing mankind's wealth and resources at every moment. In many ways to deal with human corrosion， the use of anti-corrosion coating is the most economical and practical. This article reviews the main characteristics， classification， application and development of anticorrosive coatings， introduces several common anticorrosion coatings： graphene， epoxy resin， polyurethane and glass flake anticorrosive coatings， and introduces common testing methods of coatings， and finally shows the foreign new development of anti-corrosion coatings.

關(guān)鍵詞：涂料；防腐涂料；研究進(jìn)展；環(huán)境友好

Key words： paint；anti-corrosion coating；research progress；environment-friendly

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ637 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0262-03

0 引言

金屬材料機(jī)械性能優(yōu)良，應(yīng)用比較廣泛，但因其腐蝕問(wèn)題帶來(lái)巨大的危害和損失，全世界每年由此造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上萬(wàn)億美元，因此研究金屬的防腐方法，控制金屬腐蝕對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]。防止金屬腐蝕常用的措施之一是采用涂層隔絕金屬基體與周?chē)h(huán)境的直接接觸。目前防腐涂料市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)膨脹式發(fā)展，僅次于建筑涂料，位居第二。因此，了解防腐涂料的發(fā)展?fàn)顩r以及未來(lái)發(fā)展方向具有重要的意義。

1 防腐涂料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

截至2017年底，中國(guó)561家防腐涂料企業(yè)共計(jì)達(dá)到701.68億元銷(xiāo)售額，銷(xiāo)售利潤(rùn)達(dá)95.08億元。其中環(huán)氧類(lèi)防腐涂料所占市場(chǎng)份額最大[2]。

近年來(lái)，我國(guó)防腐涂料的產(chǎn)銷(xiāo)量和技術(shù)性能都有大幅度的提高。低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、綠色環(huán)保將是防腐涂料發(fā)展的方向。如環(huán)氧樹(shù)脂難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，而有機(jī)溶劑價(jià)高、有毒、易揮發(fā)，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。因而，水性環(huán)氧防腐涂料、無(wú)溶劑環(huán)氧防腐涂料和高固分環(huán)氧防腐涂料的研究成為熱點(diǎn)；以復(fù)合磷酸鹽防銹涂料為基礎(chǔ)的防腐涂料可代替含紅丹等重金屬顏料的防腐底漆等，避免使用污染重、含重金屬顏料的有毒防腐底漆；開(kāi)發(fā)低表面處理技術(shù)、節(jié)能減排涂裝新工藝、新技術(shù)等都是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

2 涂料的防腐機(jī)理[3]

2.1 涂層的屏蔽作用

涂層涂覆于金屬表面，使電解質(zhì)（水、氧、氯離子等）與金屬界面無(wú)法直接接觸，阻止或減緩了金屬的電化學(xué)腐蝕。

2.2 濕附著力的作用

濕附著力是指在水存在下的附著力，保證水和氧不能在金屬表面快速擴(kuò)散而減緩金屬腐蝕。由于溶劑揮發(fā)或制備工藝影響，涂層總存在孔隙等缺陷，構(gòu)成了電解質(zhì)滲入的主要通道，研究發(fā)現(xiàn)涂層透水和氧的速率往往高于鋼鐵表面腐蝕消耗水和氧的速率，因此涂層的防護(hù)不只有屏蔽作用，涂料與鋼鐵表面間的濕附著力對(duì)防腐蝕也起著重要作用。

2.3 顏填料的緩蝕作用

在水存在的情況下，涂料中含有的防銹顏填料會(huì)解離釋放出緩蝕離子，抑制金屬腐蝕的進(jìn)程。

2.4 犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)作用

通常在涂料中加入一些活潑的金屬粉末（如鋅粉等）作為犧牲陽(yáng)極，起著保護(hù)陰極金屬基體的作用。

3 常見(jiàn)防腐涂料的種類(lèi)

防腐涂料按使用環(huán)境和條件可分為常規(guī)防腐涂料和重防腐涂料，包括環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸類(lèi)、醇酸類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、氯化橡膠、聚硅氧烷類(lèi)及氟碳類(lèi)和富鋅防腐涂料等。應(yīng)用在石油化工、電力工程、橋梁建筑、船舶水利及碼頭工程、鐵道工程等領(lǐng)域。本文按使用的基料或顏填料不同介紹幾種重要的防腐涂料。

3.1 石墨烯防腐涂料

石墨烯的強(qiáng)度高、硬度大，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)異。其楊氏模量（Young's modulus）約為1100GPa，斷裂強(qiáng)度（breaking strength）高于鋼鐵100倍。石墨烯直接加到涂料中具有防腐和導(dǎo)電作用。環(huán)氧樹(shù)脂涂料中添加石墨烯和聚苯胺可減少和防止涂層中的凹陷和孔隙，有效提高涂層的防腐蝕性能；如在分散劑或偶聯(lián)劑的作用下，可改善石墨烯在水性丙烯酸樹(shù)脂防腐涂料中的分散性，經(jīng)過(guò)石墨烯改性的水性防腐涂料具有良好的耐水和耐鹽霧性能，防腐性能明顯優(yōu)于其他碳系材料填充的水性涂料[4]；將樹(shù)脂和鋅粉有序組裝可形成致密膜，石墨烯改性防腐涂料在降低鋅粉用量的同時(shí)可大幅提高涂料的耐腐蝕性能。圖1為歐鉑公司石墨烯改性防腐涂料與普通環(huán)氧富鋅底漆的冰醋酸加速測(cè)試700h的結(jié)果對(duì)比圖。

3.2 環(huán)氧樹(shù)脂涂料

環(huán)氧樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是大分子鏈上含有環(huán)氧基，全世界每年約有40%以上的環(huán)氧樹(shù)脂用于制造環(huán)氧涂料，大部分用于防腐領(lǐng)域。環(huán)氧樹(shù)脂涂料是最具代表性的、用量最大的高性能防腐涂料品種。通過(guò)極化方法可實(shí)現(xiàn)不銹鋼顏料與環(huán)氧樹(shù)脂的最優(yōu)化組合，利用硅酮的耐熱性將少量硅酮樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂混合制成新的耐熱防腐涂料。

3.3 聚氨酯防腐涂料

聚氨酯涂料屬于高固低VOC涂料，與基底附著力強(qiáng)。其分子中存在氨基甲酸酯（—NHCOOCH3）、羥基（—OH）、異氰酸酯（—NCO）及雙鍵等官能團(tuán)，具有較強(qiáng)的耐高低溫、耐酸堿油和耐磨等性能，可作為面漆應(yīng)用在重防腐領(lǐng)域中。水性聚氨酯防腐涂料可通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅共聚及納米復(fù)合改性[5]，使其性能得到了很大的改善，但仍存在耐水性不強(qiáng)，對(duì)施工條件要求苛刻，產(chǎn)品價(jià)格較高等問(wèn)題。把20nm的ZnO納米顆粒通過(guò)超聲粉碎法均勻分散在雙組分聚氨酯基體時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著ZnO含量的增加，復(fù)合涂層的耐腐蝕性增強(qiáng)，ZnO含量為2.0%時(shí)，復(fù)合涂層的防腐性能最優(yōu)[6]。

3.4 玻璃鱗片涂料

玻璃鱗片涂料為重防腐涂料，主要成膜物為耐蝕樹(shù)脂，填料為鱗片，輔助加入某些促進(jìn)劑和引發(fā)劑。其中的鱗片包括鋅鋁合金鱗片、不銹鋼片以及玻璃鱗片和云母氧化鐵等。該類(lèi)涂料耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，耐高低溫，抗腐蝕性離子和抗?jié)B水、水蒸氣能力強(qiáng)。

3.5 無(wú)機(jī)涂料

3.5.1 水玻璃基無(wú)機(jī)涂料

該類(lèi)涂料為堿金屬硅酸鹽，主要成分是水玻璃、固化劑、顏填料和輔助劑等。目前，國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)品可分為鉀水玻璃涂料，鈉水玻璃涂料，鉀、鈉水玻璃涂料三種。其具有良好的粘結(jié)性和防止水滲透的作用，環(huán)保、耐溫、耐燃，耐酸、耐候性極好，但耐水性不足?？赏ㄟ^(guò)水玻璃的酸改性、與合成樹(shù)脂乳液復(fù)合使用、水玻璃的綜合改性來(lái)提高其性能。

3.5.2 硅溶膠涂料

該類(lèi)涂料以SiO2膠體的水分散液為成膜物質(zhì)，加入顏填料、助劑攪拌研磨調(diào)制而成。SiO2粒子間能形成牢固的Si-O鍵，形成硅氧鏈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為連續(xù)涂膜。其特點(diǎn)是具有較高的活性和較強(qiáng)的粘結(jié)力；如果NaO2含量低，涂膜具有較好的耐水性、較大的比表面積，易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且這種結(jié)構(gòu)是不可逆的，因此涂膜堅(jiān)硬、附著力強(qiáng)、耐水、耐化學(xué)性能優(yōu)異；同時(shí)，硅溶膠涂膜不產(chǎn)生靜電，不易吸灰，耐污性?xún)?yōu)異；具有較好的穩(wěn)定性及耐候耐高溫性能。

4 國(guó)外防腐蝕涂料新進(jìn)展

4.1 可持續(xù)發(fā)展的超支化大豆醇酸納米復(fù)合防腐涂料

大豆油是一種豐富、廉價(jià)、可再生和可持續(xù)的材料，符合綠色化學(xué)要求的醇酸前體，而球狀結(jié)構(gòu)的油醇酸樹(shù)脂具有低含量、粘度高、流動(dòng)性好的特性，Obaid ur Rahman等人[7]采用磁鐵礦（Fe3O4）納米粒子通過(guò)超聲分散在丁基化三聚氰胺甲醛（BMF）中改性超支化醇酸（HBA）配制納米復(fù)合材料（HBA-BMF-Fe3O4）防腐涂料。檢測(cè)納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、力學(xué)及熱學(xué)性能、電化學(xué)和防腐蝕性能發(fā)現(xiàn)，HBA具有良好的球狀結(jié)構(gòu)分支（DOB=0.69）。HBA-BMF-Fe3O4納米復(fù)合涂層顯示出良好的靈活的物理機(jī)械性能。Fe3O4納米粒子增強(qiáng)了納米復(fù)合材料的承載能力，在刮擦和沖擊測(cè)試中耗散瞬時(shí)能量來(lái)進(jìn)行涂層。電化學(xué)腐蝕研究顯示，HBA-BMF-Fe3O4納米復(fù)合涂層表現(xiàn)出優(yōu)越的耐腐蝕性能（阻抗=107Ω和腐蝕速率1.0×10-4納米，復(fù)合涂層堅(jiān)韌，機(jī)械強(qiáng)度高，作為防腐蝕涂層取得了優(yōu)異的成果。

4.2 用印楝油聚酯酰胺制備的聚氨酯自修復(fù)防腐涂料

聚氨酯（PU）是一類(lèi)具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)械性能的材料。在PU涂層配方中，核心的微膠囊化已被用于各領(lǐng)域，即自我修復(fù)涂料，Ashok B等人開(kāi)發(fā)出印度楝樹(shù)油（可再生資源）雙組分自修復(fù)防腐聚氨酯（PU）涂料，首先合成油脂肪酰胺，然后酰胺與鄰苯二甲酸酐縮合生成聚酯酰胺，用其制備自修復(fù)聚氨酯涂層并摻入含有天然自愈劑聚酰氨基胺的聚脲微膠囊。涂層的光澤度，耐沖擊性，附著力和耐磨性均優(yōu)于防腐自修復(fù)工業(yè)涂料[8]。

4.3 使用環(huán)氧-硅雜化的防腐納米復(fù)合材料的制備

以3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GPTMS），四甲氧基硅烷（TMOS）或四乙氧基硅烷（TEOS）為硅烷前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法制備出有機(jī)無(wú)機(jī)納米復(fù)合保護(hù)涂層[9]，利用動(dòng)力學(xué)掃描（PDS）和2000h鹽霧測(cè)試上述涂層的耐腐蝕性。結(jié)果表明，保護(hù)腐蝕雜化涂層主要取決于硅烷含量、硅烷前體的類(lèi)型和納米顆粒的類(lèi)型。

5 展望

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，重防腐涂料的技術(shù)含量、規(guī)模、品種等都將得到不斷提升，同時(shí)，涂料的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)規(guī)模也必將擴(kuò)大，在此背景下，國(guó)內(nèi)涂料行業(yè)生產(chǎn)廠家任重道遠(yuǎn)，應(yīng)遵循綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能的理念，大規(guī)模發(fā)展無(wú)污染、低成本的防腐涂料。

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