金屬表面防腐材料的研究進展

劉俊麟 章玫婷 陳淑婷 霍健林 楊富國

關鍵詞：金屬;防腐;緩蝕劑

在各個行業領域中，應用金屬材料發揮著重要的作用，但是，在實際應用金屬材料時，材料本身時常有腐蝕現象出現，這樣使得金屬制品的各種力學性能受到嚴重影響。根據有關研究報告，每年全球能源的20%和國民生產總值的4.2%因材料表面腐蝕的原因而損失。由于金屬材料表面的腐蝕，一方面會造成經濟損失，另一方面威脅到人們的生命安全，所以研究金屬材料表面的腐蝕有實際意義。本文參考國內外文獻，綜述了金屬材料表面防腐技術中三種類型：自愈合涂層、緩蝕劑以及石墨烯涂料技術，指出了還沒有解決的技術難題，并對技術發展趨勢進行了展望。

1金屬腐蝕的原理

金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩類，金屬腐蝕的過程如果按化學反應的機理進行稱之為化學腐蝕，如果按電化學反應的機理進行稱之為電化學腐蝕。化學腐蝕是由于金屬表面與介質中氧化性成分直接發生氧化還原反應而引起，由于金屬在介質中形成了局部電池而引起的腐蝕為電化學腐蝕。

2金屬表面防腐材料的研究現狀

2.1自愈合涂層

近年來，發展十分迅猛的自愈合涂層的種類越來越多，高分子材料為主要成分仍然是大多數的自愈合涂料的選擇。目前自愈合涂層體系還沒有健全，根據觸發原理來劃分自愈合涂層，可分為自發性與非自發性兩種類型。非自發性自愈合涂層需要在外界條件的影響下才能具備受損后自愈合的功能。修復劑在非自發性自愈合涂層與自發性自愈合涂層中都含有，但自發性自愈合涂層中修復劑發生交聯固化反應不需要外界環境刺激。

由于環氧樹脂具有各種優良的特性，在金屬材料表面防腐中使用廣泛。Chen等在環氧樹脂體系中添加炭黑粉末作為光敏填料，制備了一種光敏性涂料，紅外光誘導自愈合。

Syed等使用旋轉覆膜法，在316不銹鋼板表面成功覆蓋PANI（聚苯胺）、PAA（聚丙烯酸）和PEI（聚乙烯亞胺），制備了多層自愈合涂層PANI-PAA/PEI。在3.5%NaCl溶液中浸泡經過劃痕處理的涂層，涂層能很好地實現自愈合。

Kim等以FEP（聚全氟乙丙烯）為毛細管壁，愈合劑采用二苯基甲烷二異氰酸酯，第一次制備了自愈合涂層為內嵌入毛細管網絡，能完全修復受損區域。

2.2緩蝕劑

在環境（介質）中以適當的形式和濃度存在，使金屬腐蝕受到抑制的化學物質稱為緩蝕劑。質量分數在0.1%～1%之間為緩蝕劑的用量，效果顯著但含量小。緩蝕劑受緩蝕劑濃度、外部環境溫度及溶液的pH值等多種因素的影響。按化學成分分類，緩蝕劑可分為無機、有機以及聚合物類緩蝕劑。

在酸性環境中，防止金屬材料腐蝕的有效方法是使用緩蝕劑。目前不同類型的有機和無機化合物作為緩蝕劑已合成，例如雜環化合物（由氮、氧和硫原子組成）。防腐蝕化學品的廣泛使用，為降低對環境和人類造成的危害，在使用緩蝕劑過程中，開發綠色環保且緩蝕效率高的新品種成為當前研究的熱點。

對金屬表面進行化學預處理采用環保型硅烷基涂料，可以增加金屬表面與有機涂料的黏結強度，金屬基材的抗腐蝕性能也增強。近年來，通過開展幾種類型的硅烷組合，以及添加無機與有機緩蝕劑或阻擋納米顆粒來增加硅烷基涂層防腐蝕效果方面的研究工作。

2.3石墨烯涂料

石墨烯研究和應用快速發展的主要原因是石墨烯具有優異的力學、熱學、電學等性能以及低價格原料。石墨烯的應用常通過制成石墨烯納米復合材料實現，可使高分子涂料的孔洞和缺陷中填充粒徑較小的石墨烯，形成致密隔絕層以層層疊加方式，防水作用效果顯現。此外，在聚合物涂層中，力學性能優良的石墨烯，可以提高抗磨性能。

Yu等在三層聚乙烯醇縮丁醛之間夾著用化學氣相沉淀法生長的兩單層石墨烯薄膜，制備聚合物.石墨烯復合防腐涂層，在鋁合金表面涂有該復合涂層，浸泡120天在模擬海水中，發現該涂層仍有良好的防腐作用。

2015年李娟娟研究了在金屬防腐中使用石墨烯，填料采用氧化石墨烯，制備復合涂料水性醇酸樹脂/氧化石墨烯，當片層大小為120um（氧化石墨烯），氧化程度為2.61（sp-2/sp-3）時，水性醇酸樹脂/氧化石墨烯復合的防腐效率為98.14%。

2018年朱科對丙烯酸酯一環氧樹脂核殼乳液及石墨烯復合涂料的制備與防腐性能進行了研究，將丙烯酸酯一環氧樹脂核殼乳液與功能化石墨烯聯合使用，制備出一種新型的復合防腐材料，研究結果：在優化條件下，當乙烯基三異丙氧基硅烷的重量w=3%，不飽和環氧樹脂中間體的重量w=30%時，膠膜性能和防腐性能表現最佳，具有最低的腐蝕電流密度（6.12x10-7A/emz）、腐蝕電壓為（-0.3797V），阻抗最高;在長期浸泡后，具有長效防腐性，降低了兩個數量級（低頻阻抗）。添加了磺酸化石墨烯與氧化石墨烯后，涂層具有最低的腐蝕電流密度（1.04x10SA/cm2）、腐蝕電壓（-0.115V），阻抗最高。

3結語

金屬表面防腐材料的制備與性能研究，有很多研究成果已在實際生產中進行應用。制備了各種自愈合防腐涂料、新型緩蝕劑、石墨烯復合涂料，這些材料提高了金屬的耐腐蝕性，金屬材料表面能夠長期穩定不被腐蝕。在將來的研究中，研究重心在開發現有材料的同時，還應該思考原料成本、環境影響、工藝條件等問題，使得金屬表面防腐材料的開發向著更加節約成本、綠色、實用的方向發展。