{首页主词},&

有趣的超疏水防腐蝕技術

2018-06-19 11:53:57 作者：章文來源：腐蝕與防護分享至：

生活中隨處可見金屬的腐蝕現象，從天上到地下，從海洋到陸地，大到巨輪，人造衛星，小到電腦中的芯片，包括石化，石油，化工，電力，城市管線等各行各業，只要涉及材料就有腐蝕問題。可見，腐蝕與人們的生活息息相關，腐蝕給人類帶來了巨大的經濟損失和社會危害。

金屬腐蝕是金屬在化學環境下自發進行的過程，比如金屬與水接觸以后形成電極，發生電化學反應。由于室外環境下金屬與水的接觸無法避免，因此會產生電化學反應，嚴重降低金屬材料的性能。金屬材料遭到腐蝕后，在外形，色澤，以及機械性能方面會發生重大變化，嚴重時將導致金屬制品無法使用，甚至造成設備事故和人員傷亡。

根據金屬腐蝕的反應機理，腐蝕可以分為電化學腐蝕和化學腐蝕。電化學腐蝕是指金屬表面與離子導電的介質因發生電化學作用而產生的破壞，化學腐蝕是指金屬表面與非電解質直接發生純化學作用而引起的破壞。電化學腐蝕是最常見，最普遍的腐蝕。因為只要組成環境的介質中有凝聚態的水存在，金屬的腐蝕就會以電化學腐蝕的形式進行。金屬在各種電解質水溶液 , 以及大氣、海水和土壤等介質中所發生的腐蝕都屬于電化學腐蝕。環境介質中引起金屬腐蝕的物質主要是氧分子和氫離子，它們分別導致金屬的耗氧腐蝕和析氫腐蝕 ,其中又以耗氧腐蝕最為普遍。

為了防止金屬的腐蝕，人們想出了各種各樣的方法。電廠鍋爐在運行時通常采用熱力除氧和化學除氧的方法除去爐水中的溶解氧，防止鍋爐系統發生耗氧腐蝕，通過在爐水中加入氨水等堿性物質將爐水的 pH值提高至 8.5 ～ 9.2, 進一步提高熱力系統中鋼材的耐蝕性能。

有的人采用陰陽極保護法來避免金屬的腐蝕。

什么是陰極保護法呢？

它是指對被保護的金屬進行外加陰極極化處理以減少或防止金屬腐蝕的方法，適用于能導電的、易進行陰極極化且結構不太復雜的體系 ,目前在地下管道、船舶碼頭、橋梁等的保護中較常用。

陽極保護法是指利用直流電源對被保護的金屬體系通入陽極電流 ,使金屬陽極極化到鈍化區而得到保護的方法。這種保護方法只適用于可以發生鈍化的體系 ———金屬在體系介質中的陽極極化曲線存在鈍化區，一般在強氧化性介質中應用較多。

有人用耐蝕性較強的金屬或非金屬來覆蓋耐蝕性較弱的金屬 ,將主體金屬與腐蝕性介質隔離開來以達到防腐蝕的目的。利用覆蓋層進行保護，不僅能提高材料的耐蝕性能，而且能節約大量的貴重金屬和合金。金屬覆蓋層通常通過電鍍、熱浸鍍、化學鍍、滲鍍、真空鍍膜、熱噴涂、電化學及化學轉化膜層等方式形成。非金屬覆蓋層包括襯里和涂層。襯里主要有玻璃鋼、橡膠、磚板襯里等。防腐蝕領域應用的涂料主要有環氧防腐蝕涂料、聚氨酯涂料、含氯防腐蝕涂料、有機氟涂料、富鋅涂料、玻璃鱗片涂料等。

由于大多數情況下金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕，是因為金屬與水接觸后金屬形成陽極雜質形成陰極，二者電化學反應后固態金屬變成了金屬離子進入水中。因此如果金屬表面沒有水的存在，也就不會形成電化學反應，金屬也就得到了保護。如何使金屬表面不與水接觸成為金屬防腐蝕的重要方向。

如果你觀察過荷葉，那么你一定會感慨荷葉出淤泥而不染的奇妙。在雨后荷葉表面殘留有小水珠，這些小水族并不會潤濕荷葉表面，當有微風吹過來，小水珠會自然滾落，并帶走荷葉表面的灰塵和泥土。

為什么荷葉表面有如此有效的防水特性呢？

這和荷葉表面的結構有關。

如下圖所示，圖一顯示了荷葉表面的防水特性。圖二是荷葉片的掃描電鏡照片。圖三是高放大倍數下觀察到的荷葉表面形貌?？梢钥吹胶扇~片表面并不是光滑的表面，而是有很多微米級的突起并且還擁有納米級的纖毛。這樣當水落在荷葉上時，由于表面張力的作用，會形成球狀的小水珠。而微納結構會形成很多的密閉小空間，空氣可以進入這些小空間形成小氣室。這些小氣室是微納結構的，相比于毫米級的小水珠，氣室顯得很小，因此水珠無法進入這些氣室。于是小水珠落在這些氣室的表面，相當于水珠與荷葉之間有一層空氣墊。然后，這些纖毛表面覆蓋了一層石蠟，石蠟是一種低表面能疏水結構，進一步加強了荷葉表面的疏水能力。這樣在微納米結構和低表面能物質的相互配合下荷葉具有超疏水的效果。什么是超疏水呢？如圖四所示，接觸角大于150度即為超疏水，這樣的表面很難被水潤濕，也就使得金屬不與水接觸從而限制電化學反應的發生。

如何人工地去做這些超疏水結構以使得金屬表面不與水接觸？

根據荷葉的超疏水特性，我們很自然的想到，如果我們設計一種低表面能的涂料并與納米粒子共混，將涂料涂在金屬的表面，這樣金屬表面同時具有了低表面能和很高的粗糙度，形成超疏水的結構。利用這樣的方案我們設計了這樣的實驗。將在市場上買來的普通環氧樹脂溶解在有機試劑中加入納米二氧化硅共混。加入光引發劑后涂在金屬表面，并用紫外光進行光固化。最后的金屬涂層與水的接觸角為150度，具備超疏水的要求，使得金屬很難與水接觸，因此限制了金屬的電化學反應。但是，由于表面有極高的粗糙度，因此涂層的耐磨性不佳，在實際使用時耐久性較差，因此市場化還有一定的難度。

最近，有公司發明了一種新型的高耐磨的超疏水涂料。該涂層實際上是一種叫做“氟化聚氨酯彈性體”的材料與另一種叫做“F-POSS”的拒水分子混合而成。這種涂層非常強韌，可以用于汽車，船體的防腐蝕，即使受到水流的沖擊依然保持很好的超疏水效果。除了耐久性和韌性外，研究人員還發現，這種涂層在損壞時可以自行修復數百次。

研究人員在最近發表于ACS Applied Materials & Interfaces的論文中寫道：“即使經過磨損、劃破、燃燒、等離子清潔、紫外線輻射、超聲處理和化學腐蝕后，該涂層依然可以通過自修復保持耐水性。”

因為即使某一區域的疏水涂層分子被刮掉，其他分子也會遷移過來填充間隙并且修復疏水表面結構的完整性。這種新型涂層的防水性能關鍵在于可以調整疏水表面的幾何形狀，傳統的防水涂料大多采用微觀柱狀表面，在水滴的下方形成空氣包，從而讓水滴無法滯留而滾動離開涂層表面，但這種結構非常脆弱。為此，研究人員通過增加涂層表面的柔韌性，使其彎曲后不易破裂，從而保證疏水結構可以使用較長時間。

英國倫敦大學陸遙博士提供了一種解決超疏水涂層強度不足的新思路。

為了在玻璃表面形成超疏水涂層，首先用雙面膠涂在玻璃表面，然后加入疏水涂料，形成類似三明治的結構——玻璃和疏水涂料分別粘結在雙面膠兩側。

這樣一來，表面就變得非常堅固，甚至用砂紙交叉摩擦幾十個來回，仍然可以保持表面超疏水性。如果需要在金屬表面形成超疏水涂層，只需要用噴涂工藝完成相同的操作即可。在日常生活中，一個表面通常會經歷刮擦等日常磨損，通過這種雙面膠的方法，疏水表面會緊緊粘接在基體表面。無論是用刀刮，還是用砂紙打磨，都不會改變原來的疏水效果。

其實，這個研究的精髓并不在于把超疏水表面做到多強多耐磨，而是提供了一種思路——將超疏水領域的“脆弱”的弱點交給更加成熟的黏膠技術去克服。在具體的生產實踐中，無論是大到挖掘機防水，還是小到自家涂墻，都可以根據需要選擇屬于自己的膠去做“中介”。換言之，膠有多給力，超疏水表面就有多給力。并且，相比于直接噴涂結實的超疏水涂層，這種兩步法（膠+涂料）更加安全靈活。

金屬表面的防腐蝕研究已經經歷了上千年，如何使防腐蝕技術更有效，更方便，更安全，更環保已成為科學家以及各個企業思考的問題。金屬表面的超疏水處理給了金屬防腐蝕一個全新的思路，這方面的研究也一直是化學工作者的研究熱點。相信在不久的將來，科研工作者會克服超疏水涂層的缺陷，將超疏水技術真正工業化市場化，為人類在金屬防腐蝕領域提供新的解決方案。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：韓鑫

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414