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金屬防腐自修復涂料的發(fā)展方向分析

2021-01-22 10:39:49 作者：本網(wǎng)整理來源：腐蝕與防護涂料市場、涂料工業(yè) 分享至：

所謂自修復涂料是指涂層遭到破壞后具有自修復功能，或者是在一定條件下具有自修復功能的涂料。自20世紀80年代開始出現(xiàn)關于自修復涂料的文獻報道。早期的自修復防腐涂料是基于六價鉻在潮濕的環(huán)境中在碳鋼表面形成一層致密的含有γ-Fe2O3和Cr2O3的鈍化膜，對基材表面起到良好的延緩腐蝕的作用。但是六價鉻化合物不僅有毒而且容易被人體吸收，具有致癌作用，不符合健康環(huán)保的要求。防腐涂料必須滿足當今對環(huán)境保護法律法規(guī)的要求，因此節(jié)能環(huán)保的自修復防腐涂料是一種具有廣闊前景的產(chǎn)品。

自修復防腐涂料的發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)Alicja等人統(tǒng)計，自上世紀80年代到2015年期間，出版了關于自修復保護涂料的文獻報道就有542篇，具體分布情況如圖1所示，從圖中顯示自2010年至2015年期間關于自修復涂料的文獻數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢。同時把研究自修復涂料的全球分布以及歐洲分布情況進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖2和圖3所示。結(jié)果表明自修復涂料在全球分布來看，亞洲和歐洲研究的比較多，歐洲分布情況顯示出德國研究的偏多。

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金屬防腐自修復涂料的種類

微膠囊型自修復涂料

White等人設計了典型的微膠囊自修復復合材料系統(tǒng)，具體設計思路如圖4所示。該系統(tǒng)是將修復劑包裹在微膠囊中，然后將微膠囊負載到含有能夠聚合該修復劑的催化劑的復合材料結(jié)構(gòu)中。具體自修復過程是：

a）當涂層發(fā)生損壞產(chǎn)生了裂紋；

b）裂紋造成微膠囊破裂，釋放出修復劑；

c）修復劑與催化劑接觸后發(fā)生聚合反應將裂紋修復。

圖4 自動修復概念示意圖

微膠囊型自修復涂料理論研究比較成熟，但是在工業(yè)使用過程中存在一些難點，含有修復劑的微膠囊含量少了起不到修復效果，含量多了影響涂層的力學性能。而且不但在生產(chǎn)微膠囊涂料過程中需要嚴格控制，就是在施工過程中也需要特別注意。

高聚物型自修復防腐涂料

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圖5 狄爾斯-阿爾德反應機理

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圖6 自修復過程的SEM

圖7 π-π鍵相互堆積結(jié)構(gòu)圖

圖8 彈性體自修復涂膜自修復示意圖

高聚物型自修復涂料在生產(chǎn)和施工過程中不像微膠囊自修復涂料那么不好控制。但是高聚物型自修復涂料的力學性能偏低，涂膜硬度和耐磨性能偏低，而且在自修復過程中需要加熱才能完成。

負載緩蝕劑型自修復涂料

加入金屬緩蝕劑是金屬防腐中常用的方法。六價鉻雖然能夠有效地抑制金屬基材的腐蝕，但其毒性原因不符合環(huán)保要求。近年來發(fā)展了一些環(huán)境友好型的緩蝕劑，如鈰、鉬酸、磷酸以及有機緩蝕劑，這些能夠有效地替代六價鉻。緩蝕劑雖然能夠有效地在金屬表面形成一層保護的鈍化膜起到抑制金屬進一步腐蝕的作用，但是由于緩蝕劑與涂層的相容性差，如果直接加入到涂層中會影響防腐效果。而且由于化學鍵的相互影響，使緩蝕劑均勻地分散到涂層中也是相當困難的。為了解決這一問題，許多學者設計出了一些列的解決方法。

將緩蝕劑負載到多孔結(jié)構(gòu)的材料中，然后再加入樹脂中制備的自修復涂料解決了微膠囊型自修復涂料的生產(chǎn)和施工復雜以及高聚物型自修復涂料的力學性能較差的問題。不過該涂料在自修復過程中需要緩蝕劑從多孔結(jié)構(gòu)中釋放出來以達到修復的目的，這樣就會受到緩蝕劑釋放能力的限制，需要在修復過程快速釋放以達到滿意的效果。

自修復金屬防腐涂料的發(fā)展方向

利用自修復的性能延長防腐涂層的使用壽命，這種方法已經(jīng)得到了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關注。但是距離象生物一樣理想的自修復防腐涂料還有一定的差距。今后在自修復防腐涂料的發(fā)展方面有如下重點：

（1）簡化工藝過程，提高可操作性

從實際應用角度出發(fā)，生產(chǎn)配方以及生產(chǎn)及施工工藝越簡單，實際應用價值越高，使用越廣泛。如現(xiàn)在普遍研究的微膠囊自修復系統(tǒng)就存在生產(chǎn)或使用過程中微膠囊提前破裂而達不到自修復目的的問題。

（2）研究室溫自修復的高聚物型智能涂料

利用高聚物的某些特性實現(xiàn)自修復目的的復合涂料，自修復過程普遍需要加熱升溫，一般都要在80~160℃左右的溫度下才能達到自修復，這樣的自修復沒有達到自發(fā)進行的目的。所以研究在室溫下就能夠達到自修復目的的防腐涂料是具有工業(yè)實用價值的未來發(fā)展趨勢。

（3）擴大天然材料在防護涂料方面的應用

天然材料是比較理想的工業(yè)原材料，比如天然的高分子材料（包括纖維、殼聚糖、天然橡膠等）、天然礦物納米材料等已經(jīng)在防腐涂料中得到了廣泛應用。美國專利US9683109B2介紹了一種自修復防腐涂料，該涂料就是采用殼聚糖、二氧化硅粒子和環(huán)氧樹脂合成聚吡咯導電復合物。通過測試質(zhì)量損失以及鹽霧試驗證明負載2.0%的殼聚糖聚合物的環(huán)氧涂層在高的腐蝕環(huán)境中具有優(yōu)異的防腐蝕效果。不斷研究發(fā)現(xiàn)天然材料的特性，并把其應用在自修復防腐涂料體系中是一項利國利民的重要事業(yè)。

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