鈦納米重防腐涂料與普通防腐涂料比較

鈦合金納米重防腐涂料防腐機(jī)理與常規(guī)涂料比較鈦合金納米重防腐涂料表現(xiàn)出較常規(guī)重防腐涂料優(yōu)異的耐酸、堿、鹽、海水、油品的性能。究其原因可能是多方面的，其中有些因素通過檢測(cè)可以得到證實(shí)。因此，我們?cè)诂F(xiàn)有認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上加以分析，與專家們探討。鈦合金耐蝕性、鈍化膜與陰極保護(hù)鈦合金與鈦正常處于鈍化狀態(tài)。此時(shí)，它的表面由一層鈍化膜保護(hù)。鈦合金鈍化有三大特點(diǎn)：=1\*GB3①?gòu)?qiáng)烈的鈍化傾向=2\*GB3②穩(wěn)定電位范圍寬=3\*GB3③鈍態(tài)下不易被Cl-破壞。鈦合金納米也承襲了這種特性，只要涂層中鈦合金納米達(dá)到一定濃度，涂層也處于鈍化狀態(tài)，在各種腐蝕介質(zhì)中可以維持極低的腐蝕電流，即腐蝕十分緩慢。故在上述酸、堿、鹽、海水中表現(xiàn)出長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定特性。鈦合金耐蝕性顯著特點(diǎn)是對(duì)氯化物、氧化性介質(zhì)、海水有突出的耐蝕性能，被譽(yù)為“海洋金屬”。與之相反，大多數(shù)不銹鋼對(duì)氯化物、海水敏感，點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕在PPm級(jí)Cl-條件下可以發(fā)生。因此，我們可以解釋鈦合金納米涂層在氯化物、海水、部分酸中處于鈍化狀態(tài)，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性能。在這種狀態(tài)下，涂層對(duì)基層鋼鐵起著陰極保護(hù)作用。只要鈍化狀態(tài)不破壞，鋼板就不被腐蝕。這也是我們選擇鈦合金納米作為涂料活性添加劑的初衷。納米活性與化學(xué)鍵合納米技術(shù)使材料的常規(guī)性能發(fā)生了“變異”而引起廣泛的重視和研究，就鈦合金納米而言，我們通過檢測(cè)其比表面積達(dá)到18㎡/g以上。通過光電子能譜分析，發(fā)現(xiàn)其與C、H、O有化學(xué)鍵合信息，鍵合力的結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)明顯高于化學(xué)吸附，更高于普通顏填料的吸附力和機(jī)械結(jié)合力。鈦合金納米粒子高活性懸空鍵，與包覆樹脂配位形成上述強(qiáng)有力的化學(xué)鍵合。同時(shí)由于樹脂的閉環(huán)打開，形成開環(huán)的羥基與醚鍵進(jìn)一步與成膜樹脂形成化學(xué)鍵合與吸附，并形成新的活性開環(huán)，與鋼鐵基面發(fā)生化學(xué)鍵合與吸附，這就大大改善了涂層附著力。清華、北大的專家在產(chǎn)品鑒定會(huì)上，海軍技術(shù)研究所通過檢測(cè)均對(duì)鈦合金納米技術(shù)和具備高附著力這一特點(diǎn)給予很高評(píng)價(jià)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與層障效應(yīng)涂層內(nèi)部“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”是一種理想結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌Ｒ?guī)涂層顏填料顆粒粗大，與成膜物質(zhì)只是簡(jiǎn)單的物理結(jié)合和吸附，在高倍顯微鏡下可以觀察到它們之間的微小間隙。涂層的破壞由于介質(zhì)的腐蝕強(qiáng)度和外力作用，溶液分子大多是從這些間隙向涂層內(nèi)部開始滲透的，涂層對(duì)溶液分子穿透阻力決定了涂層的壽命！一旦滲透發(fā)生，就會(huì)一步步擴(kuò)大到基層鋼鐵表面。隨后，按一般腐蝕規(guī)律擴(kuò)展而致鋼鐵破壞！通過電鏡清晰觀察到鈦合金納米顆粒之間已經(jīng)形成了“網(wǎng)絡(luò)”，ESP分析又進(jìn)一步提供了鈦合金與碳、氧、氫鍵的結(jié)合模型（見圖1）。試設(shè)想，100μm的鈦合金涂層，如果被納米顆粒飽和填充，則形成5000層20nm的鈦合金顆粒立體網(wǎng)陣。而如果是2μm的顏填涂料則只有50層。且前者是化學(xué)鍵合形態(tài)，后者是物理結(jié)合形態(tài)?？梢酝茰y(cè)水溶液分子要突破穿越網(wǎng)狀5000層的100μm鈦合金納米重防腐涂料所遇到的“層障”和路徑至少是后者100倍甚至數(shù)百倍之多！圖1給出了一個(gè)對(duì)比模型。因此壽命較長(zhǎng)也就不難解釋了。圖1鈦合金納米涂料與普通涂料的介質(zhì)滲透模型實(shí)驗(yàn)室中涂層水煮試驗(yàn)，鈦合金涂層可輕易通過100h試驗(yàn)未起泡，普通涂層數(shù)小時(shí)即起泡，說明水分子對(duì)普通涂層滲透力大大超過鈦合金納米涂料。這就是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層障效應(yīng)帶來的優(yōu)勢(shì)和結(jié)果。綜上所述，納米粒子因其特性而具備的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊性質(zhì)，在新材料開發(fā)中顯示出巨大的優(yōu)越性：這種納米涂料改性劑因小尺寸效應(yīng)比傳統(tǒng)改性劑使涂覆的表面更加均一，不產(chǎn)生表面不斷溶解，滲透壓不斷增加，大量的水不斷地滲入這些區(qū)域并使體積不斷膨脹，在有機(jī)涂層附著力弱的區(qū)域，涂層將與基體脫層形成鼓泡，如圖2所示。圖2（A）鋼結(jié)構(gòu)表面涂層起泡照片；（B）起泡處截面SEM照片2涂層濕附著力差關(guān)于附著機(jī)制，目前主要有吸附理論、擴(kuò)散理論、靜電理論、化學(xué)鍵和理論和機(jī)械鍵合理論，這些理論適用于不同的狀況，在實(shí)際情況中，往往是幾種機(jī)制在同時(shí)起作用。干態(tài)時(shí)的附著力是涂層的一項(xiàng)重要機(jī)械性能參數(shù)，當(dāng)有水滲透到涂層/基體界面處時(shí)，會(huì)影響甚至改變涂層的吸附機(jī)制，導(dǎo)致其附著力（濕附著力）與干態(tài)下的附著力有很大差異。涂層粘結(jié)破壞現(xiàn)象實(shí)際上是極復(fù)雜的熱-動(dòng)力學(xué)過程。具體說，被涂金屬表面往往存在金屬氧化物及吸附的水分子，涂層中有機(jī)高分子含氧極性基團(tuán)可以和這些氧化物、水分子形成氫鍵結(jié)合，當(dāng)涂層在環(huán)境濕度或水的作用下，水分子會(huì)通過滲透達(dá)到界面，使涂層與基體的結(jié)合鍵斷裂而失去附著力，如圖3所示。一旦將涂層置于干燥態(tài)，界面上的水分子逸離涂層，該涂層與基體的結(jié)合又可恢復(fù)。當(dāng)涂層喪失濕附著力時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致其從金屬基體的剝離，這時(shí)其他性能將毫無意義。圖3技術(shù)/圖層界面處的附著狀態(tài)隨水分子進(jìn)入而發(fā)生的變化示意圖。3涂層產(chǎn)生微孔導(dǎo)致涂層失效的重要因素是水、氧氣和離子，目前對(duì)這三種腐蝕性介質(zhì)在涂層中的滲透行為目前還沒有清晰確定的認(rèn)識(shí)。在涂層使用過程中，各種外界因素會(huì)導(dǎo)致其表面及內(nèi)部出現(xiàn)微孔，腐蝕性介質(zhì)便有了直接的通道到達(dá)金屬基體表面，加速腐蝕。因此涂層內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)、及其機(jī)械性能等因素，對(duì)微孔的產(chǎn)生機(jī)制至關(guān)重要，需要進(jìn)一步研究。以上問題是有機(jī)涂層失效的主要形式，長(zhǎng)時(shí)間以來一直未能得到根本解決。所以一個(gè)長(zhǎng)效防腐蝕涂層體系應(yīng)該具備四個(gè)特點(diǎn)：抗?jié)B透的屏蔽性能、涂層自身成分極其穩(wěn)定、附著力及濕膜附著優(yōu)良、內(nèi)應(yīng)力小，否則談不上涂層長(zhǎng)效抗?jié)B透、緩蝕、電化學(xué)保護(hù)三種作用，在傳統(tǒng)的涂料中無法組合實(shí)現(xiàn)如上述的四大特點(diǎn)，如富鋅涂料，用的是陰極保護(hù)作用，涂層導(dǎo)電，活潑金屬的加入造成涂層成分不穩(wěn)定，極易與酸堿鹽溶液反應(yīng)，加之填料間隙較大，造成抗?jié)B透能力不強(qiáng)，一旦形成劃痕