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大型鋼結構防腐中的納米技術

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大型鋼結構防腐中的納米技術


                            李  勁等


    大型鋼結構是大量基礎設施的重要組成部分。橋梁、電站、輸油輸水管道、油氣儲罐、大型生產裝置、船舶、海工結構、塔架及許多大型建筑物均大量采用鋼結構。雖然所用的碳鋼與一些低合金鋼具有很好的力學性能與合理的價格,但它們存在著嚴重的電化學腐蝕問題。由于具有用量大、壽命要求長的特點,所以需要的防腐手段也具有特殊性。在各種腐蝕控制方法中,主要選用不同表面處理與施加防腐涂層的方法來對大型鋼結構進行防護。到目前為止,應該說大多情況下防護效果還遠不理想,主要是存在由于化學與力學失效引起的覆蓋層壽命問題。因此開發高性能、長壽命、并在新形勢下滿足環保要求的表面改性技術與防腐產品,是一項重要的任務。而解決這樣的問題,離不開高技術與新思路和采用。

    目前,納米技術在鋼結構重防腐產品中的應用還處于起步階段。國內外均少見型產品應用的報導。但普遍認為,納米技術的采用無疑將會給該領域帶來世大的收獲。原因很簡單,因為防護所涉及的表面材料與自防護腐蝕產物的性質主要由其微觀結構所決定,這里涉及界面問題,電化學歷程的改變,傳輸行為、表層材料強度與塑性的變化等。例如,某些各類的納米粒子引入有機涂層可以增加其抗老公性,無機涂層的塑性可由于其結構的納米化而改善。

    大型鋼結構防腐中的主要技術及特點

    由于腐蝕體系的復雜多樣化,導致腐蝕控制手段的多樣化。在工業中使用最多的防腐技術大致可分為如下幾點:(1)合理選材:根據介質與使用條件,選擇合適的材料;(2)陰極保護:利用電化原理,對構件進行外加陰極極化以減緩腐蝕;(3)陽極保護:對可鈍化體系采用外加陽極電流使構件表面致鈍以減緩腐蝕;(4)介質處理:去除促進腐蝕的有害成分,調節PH值等;(5)添加緩蝕劑:向介質中添加少量減緩腐蝕的物質;(6)金屬表面覆蓋層:噴、襯、滲、鍍、涂上一層耐蝕性金屬或非金屬(有機或無機)物質以及將金屬進行磷化、氧化處理,以降低構件腐蝕速度;(7)防腐設計與改進生產工藝流程。

    對于一個具體的腐蝕體系,應據腐蝕原因、效果、施工難易與經濟效益等進行綜合考慮。對大型鋼結構而言,可以采用的方案也是多種多樣的。但針對它們的使用特點,主要采用選材控制和表面覆蓋進行防護,有時也常與陰極保護聯合使用。以防腐涂料為例,我國每年的用量可能已達到20萬噸左右,約占涂料總量的10%,而且它們品種繁多,功能各異。

    大型鋼結構防腐中的納米技術

    納米技術在各種表面改性層與不同用途的涂料中具有廣泛的應用前景。這里只針對鋼結構腐蝕控制的特殊要求進行討論。

    (1)無機覆蓋層主體結構納米化:在無機防腐涂層或表面處理層的情況下,使用某些特殊方法,可以使覆蓋層呈現納米結構,從而帶來一系列膜層性質的變化。通常,覆蓋層在化學性質上相對鋼基體總是惰性的。如要達到好的防蝕效果與長久不失效,就要求它與基體的結合強度要高,覆蓋完整,孔隙率與缺陷少,均勻性好,耐沖擊,具有高的強度與一定的韌性。其中韌性與一定的形變能力是重要的。許多情況下無機涂層失效的主要原因就是它的韌性差。當然還有結合力的總量。納米結構無疑會使無機覆蓋層的與強度得到改善,從而提高它的抗失效能力。由于形變協調性增加,還會提高它與鋼表面的結合強度。還應注意到,一般涂層防腐靠的是它對介質的傳輸減緩和界面鍵合的作用,有時通過合適組分加入,也可有鈍化和陰極保護作用。對這些作用,層結納米化也不可避免地帶來有益或無益的影響。

    (2)傳統有機涂料的性能的提升:通過向涂料中添加某些各類的納米粒子形成的納米復合涂料,可以導致性能的大幅度提高。如TiO2、SiO2、ZnO、Fe2O3等納米粒子通過對紫外線的散射作用,可以地提高有機涂料的耐老化性。此外還可用以改善某些各類涂料的流變性、附著力、膜的機械強度、硬度、光潔度、耐光性和耐候性等。納米粒子在這些方面的作用,對于鋼結構防腐涂料與其它用途的涂料來說在本質上并無差別。這方面的工作相對較多,但距離在重防腐中得到有效應用還有一段路要走。

    (3)鋼結構自防護腐蝕產物形態控制:耐候鋼相對于碳鋼有較好的耐大氣腐蝕性能,一般不需要表面處理就具有抗蝕性,因而得到廣泛應用。原因在于其表面形成的腐蝕產物阻礙了腐蝕介質的進入,從而保護了基體。但它也存在腐蝕失效問題。近年研究發現,通過表面懺悔處理,可以得到更加致密的腐蝕產物層,使防蝕性能得到大幅度提高。研究表明,所得產物具有納米結構。這里的關鍵是如何能夠有效地人為控制腐蝕產物的形態。


作者單位:復旦大學材料科學系、上海邦捷科技有限公司 ,大型鋼結構防腐中的納米技術

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