嚴酷環境條件下鋼鐵暫時性防護的研究現狀

陳俊歡 張書弟 高欣

摘 ?????要：綜述了高溫、高濕、高氯離子的嚴酷環境下腐蝕防護的研究現狀及意義，簡要分析了大氣環境下影響鋼鐵腐蝕的因素，介紹了嚴酷環境下對鋼鐵腐蝕防護的幾種新型暫時性防護材料，并對今后嚴酷環境下幾種常用金屬防腐蝕方法的發展進行了展望。

關 ?鍵 ?詞：嚴酷環境;金屬腐蝕;暫時性防銹材料

中圖分類號：TQ 95 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0081-04

Abstract： ?The research status and significance of corrosion protection under severe environment of high temperature， high humidity and high chlorine ion were reviewed， and the factors influencing corrosion of iron and steel in atmospheric environment were briefly analyzed. Several new temporary protective materials for iron and steel corrosion protection in severe environment were introduced， and the development of several common metal corrosion protection methods in severe environment in the future was prospected.

Key words： Severe environment; Metal corrosion; Temporary antirust material

1 ?嚴酷環境條件下鋼鐵暫時性防護的研究現狀

我國沿海地區金屬材料處于高溫、高濕、高鹽霧、多降水、多雷暴的惡劣環境，金屬防腐受到嚴酷挑戰。在大陸及海洋季風氣候的影響下，沿海地區降水量多，年均相對濕度普遍在60%～90%范圍內，當相對濕度大于80%時腐蝕速度明顯加快。海風、海浪的綜合作用使沿海地區的含鹽量大大提高，氯離子含量越高，對金屬及非金屬基體的侵蝕性越強，鈍化膜越容易破壞，導電性越好，腐蝕速率越大，加重了金屬基體的腐蝕。高強度日光照射引起強烈的紫外線照射，使得鋼鐵材料老化加快、機械強度下降，基體的抗腐蝕性能大大降低。臺風產生的海面風力和風應力渦度，使鋼鐵基體機械強度下降，伴隨的雷雨風暴天氣也會加速基體的化學反應，使腐蝕更加嚴重。近幾年來，霧霾大氣、溫室效應加劇了材料生存環境的惡化，霧霾中海鹽氣溶膠破壞鋼鐵材料的表面，加劇了鋼鐵的腐蝕，特別是近海高濕熱、高鹽的大氣環境下，海鹽氣溶膠中氯離子含量較高，對鋼鐵材料表面的破壞作用更加強烈[1-4]。

金屬在嚴酷海洋環境下長期遭受海水、海浪及海底微生物的浸蝕，引起海洋基礎設備失去強度，造成重大事故，這不僅對海洋安全工程造成了威脅，而且對發展經濟帶來了損失。在2016年3月，對全球腐蝕進行考察，考察報告顯示，世界因金屬腐蝕而產生的平均經濟損失約是全球GNP的3.4%，其中海洋腐蝕經濟損失所占比例較大，達到了總腐蝕損失的1/3。若腐蝕科技工作者積極吸取國內外金屬防腐蝕經驗，采取高效經濟的防護方法，減少腐蝕損失可達25%～40%。但是我國對金屬防護的重視程度低，因此為提高人們的防腐蝕意識，近年來很多學者積極開展了腐蝕調查，使人們對金屬腐蝕危害有了深刻的認識[5]。

在全國13個典型的大氣環境腐蝕試驗站，丁國清在2006年10月進行2個周期的暴露實驗，對碳鋼和低合金鋼進行了測試。發現金屬在拉薩、敦煌等氣候干燥環境下的試驗站點，發生的是均勻的全面腐蝕，并未發現明顯蝕孔;但在青島、江津等嚴酷環境的腐蝕試驗站點，在高溫、高濕、高鹽環境下發生不均勻的全面腐蝕，且出現密集的蝕孔點，但并未發生嚴重腐蝕穿孔。為了在不同環境下對金屬基體選出最有效的防護措施，需逐步完善大氣腐蝕數據庫（尤其是海洋大氣環境下），建立對應的腐蝕監控和檢測實驗站，同時建立腐蝕防護技術示范基地[6]。

針對不同的防護需求，開發鋼鐵緩蝕性能優異的防銹材料及其性能檢測技術、腐蝕監測技術、防護材料修復技術等[5]。在這種情況下我們必須重視氣相防銹紙等的研究開發工作，使其能夠適應在高溫高濕的嚴酷大氣環境中保護金屬免于腐蝕。如本項目選取模擬湛江高溫、高濕、高氯離子的嚴酷環境研究出新型高效的氣相防銹紙，湛江是我國一個重要的軍事基地，氣候屬于海洋性季風氣候，年平均氣溫約22.8 ℃，年降水量達2 000 mm左右。湛江海域大氣具有高溫、高濕、高氯離子的特點，因此海洋大氣中金屬材料的腐蝕現象十分嚴重。同時由于沿海大開發及國防建設的需要，湛江工程建設迅速發展，建設所需要用的金屬材料的防腐蝕問題急需解決。為縮短在湛江海洋大氣環境下金屬材料腐蝕的周期，并準確預測金屬材料的使用周期，研發出加速金屬腐蝕試驗方法和理論模型，這對以后建設材料的選取及使用年限提供科學的依據，還可以進一步積累不同環境下的腐蝕數據[7]。

2 ?新型防銹材料

金屬防護包裝材料可采用防銹粉、氣相防銹紙、復合紙、氣相防銹塑料薄膜、鋁塑復合膜、 普通塑料膜和多層共擠/復合膜、氣相防銹油、氣相防銹涂料等進行防銹包裝，其中氣相防銹紙、氣相防銹塑料薄膜、可剝性環保塑料，防銹油在實際生產中因其各自的特點得到廣泛的應用。同時我們也可對金屬及非金屬零件采取干燥空氣或充氮的密封包裝進行暫時性防護，用干燥劑吸除致銹因素水，充入惰性氣體排除致銹因素水和氧，最后再對材料進行常規密封包裝或用剛性、柔性材料制成密封包裝（表1）[8-10]。

氣相防銹紙 在牛皮紙等優質防銹原紙浸涂高效的氣相緩蝕劑，干燥后即可形成氣相防銹紙，氣相緩蝕劑的用量為5～8 g/m2。氣相防銹紙是高效、低毒、經濟的新型防銹材料，當與其他防銹材料一起使用時，防護性能更加優異。目前研發出一種可噴涂到防銹紙上的水性氣相防銹涂料，自動揮發出氣相緩蝕劑，不僅增加了紙的韌性和強度，還因形成的一層防水膜而具有防水性能。

氣相防銹油 在切削油、潤滑油加入氣相緩蝕劑形成了具有潤滑和防銹雙重作用的氣相防銹油，是目前使用范圍較廣的氣相防銹技術之一，不僅耐蝕性優異，還具有極強的附著力。

氣相防銹涂料 由水性高分子樹脂聚合物乳液和氣相緩蝕劑 構成，或有機樹脂聚合物和氣相緩蝕劑構成。將涂料和被包裝的金屬封存在密閉環境中， ?它具有涂層的性能，同時有效地抑制了金屬的腐蝕。代替了直接涂刷油漆的傳統方法。

氣相防銹塑料膜 以塑料薄膜為載體，加入氣相緩蝕劑，經過擠壓吹塑工藝、采用涂覆形成了氣相防銹膜，具有高阻隔性、多功能性。優異的氣相防銹膜的防銹期較長，可達到10 a。加入恒溫、恒濕材料后還能根據環境的變化自動調節溫度和濕度，以達到防銹的目的。

目前暫時性防護普遍使用VCI技術包裝，可以實現再回收再利用，產品的生產更經濟更環保，因此積極研發新型的VCI防銹材料。重點介紹以下幾種氣相防銹材料研究現狀及其新型材料。

2.1 ?氣相防銹油

近年來，防銹油的發展很快，目前研究發現性能較出色的有SM-1蠟膜防銹油，此種防銹油油基穩定，抗鹽霧和耐候性好、防銹性好、使用方便;超薄型防銹油，防銹性好，易涂覆，用量省;PS 1034 型室外防銹油的揮發性良好，揮發后可以在金屬表面形成一層雖然薄但抗沖擊性能良好的蠟狀保護膜，而且在嚴酷環境下具有很強的抗腐蝕性[11]。

2.2 ?氣相防銹可剝涂料

通過涂浸工藝將可剝性防銹涂料涂抹到金屬材料表面，在常溫下快速形成一層高阻隔、可剝性保護膜，快速剝離后對金屬材料沒有影響。李志廣等人開發了一種可剝的防銹涂料與氣相緩蝕劑共同作用的新型防銹材料，它的主要成膜材料是環氧樹脂和乙烯基樹脂，復合型油溶性氣相腐蝕抑制劑，丙二醇苯醚為成膜助劑，優化各種主要添加劑的最佳用量及配比。結果表明該涂料不僅在常溫下能快速成膜，還具有優良的防銹性能，使用后能夠大面積地剝落。而且這種涂料可在不同的海洋環境中進行短期防銹。任雅勛研制了一種常溫固化和耐酸、耐堿、耐鹽、耐水和耐霉菌的可剝性防銹涂料，該涂料以過氯乙烯樹脂為基料，鄰苯二甲酸二丁醋和非溶劑型的植物油混合物的比例是1：1，作為增塑劑使用，選擇了一種性能優良的復合型緩蝕劑、潤滑劑等其他助劑。實驗證明該涂料具有良好的耐蝕性能，使用后涂層能夠快速剝除且對基體基本無傷害[2，12-15]。

2.3 ?氣相防銹紙

氣相防銹紙具有以下特點：防銹期長，一般2～3 a，金屬制品封存10 a以上可依然光亮如初;操作簡單、使用方便，只要將金屬制品包裹好，再加上密封即可;使用成本低，與其他防銹包裝材料相比可節約成本30%～50%;使用范圍廣，對單一金屬、有色金屬、多種金屬組合件都有良好的氣相防銹效果;改善包裝環境，無毒無害，避免了油、塑料污染，產品包裝清潔美觀;它不包含六種重金屬，滿足RoHS指令[9，12]。

具有POP 結構的新型防銹包裝材料，由氣相防銹紙與集體淋膜層、BOPP預印膜等復合而成，適用于大型、重型金屬防護，與常規的氣相防銹紙比，這種新型材料因加入BOPP 膜，不僅提高強度和阻隔性，還具有防潮功能，同時使防銹紙具有精美的外觀效果[16]。

錢和革研究了一種新型環保防銹紙用氣相緩蝕劑，原料有烏洛托品、山梨酸鉀、鉬酸鈉、磷酸氫二銨、硼酸鈉、硫代硫酸鈉、乙二醇乙醚等，并將改性后的沸石粉加入，主要利用其多孔的結構，大大提高了目前常用用的氣相緩蝕劑緩蝕能力[17]。

2.4 ?氣相防銹塑料薄膜

常規的氣相防銹膜防銹時間是4 a左右，在氣相緩蝕劑的作用下，新型防銹膜的使用期限是原來的3倍左右。因為氣相防銹塑料薄膜具有可回收利用的特點，符合環境與經濟可持續發展的要求，近年來在我國發展迅速、應用廣泛。

目前研發出的新型氣相防銹塑料薄膜有：加入抗靜電劑形成的抗靜電型氣相防銹塑料薄膜;將高強材料進行復合，制成具有高拉伸強度、高撕裂強度的復合增強型薄膜;多層壓縮或復合制備的高阻隔膜，具有高阻隔性、低透濕性和低滲透性的特點;為使廢棄材料在一定自然環境下能降解而研發了降解性塑料薄膜;將編織布與氣相防銹膜復合，在真空環境下通過鋁箔鍍鋁就形成了鋁塑復合氣相防銹膜，不僅具有良好的緩蝕性能，還具有一定的強度和阻隔作用[18]。

3 ?防銹材料的發展趨勢

為了滿足我國環境與經濟的可持續發展的要求，研究綠色環保的防銹材料成為一大發展趨勢，所以，我們要吸取外國的創新經驗，引進新型防銹技術，積極研發高效、低毒、價廉的新型氣相防銹紙。防銹紙應該不單單具備優異的防銹功能，還應該一定耐應力性能，涂覆緩蝕劑后不易破損暴露金屬。研發通用型、環保型氣相防銹紙，并且進一步提高壓敏膠通用型防銹紙的緩蝕性能。建立統一標準，企業按照自定的企業標準從本廠產品角度研發，經常出現生產廠與使用廠矛盾，從而影響防銹、包裝質量[9，19，20]。

根據國際產品發展形式，著重研發無亞鈉 VCI氣相防銹膜產品，增加氣相防銹膜產品樹脂形式多元化、產品結構多樣化，如多層復合結構、不同材質的氣相防銹膜制品。也可通過改變添加劑配方改善薄膜的性能、外觀、氣味方面問題，如加入功能性成分，進一步增加膜層的阻隔性和強度。由于紙塑復合防銹紙材料難剝離，難再回收利用，對林業造成了巨大浪費，可大力發展可以再回收和再利用的新型全塑結構的氣相防銹塑料薄膜，可降解，符合綠色環保的要求[21-23]。

氣相緩蝕劑的緩蝕效果直接影響VCI防銹材料的防銹性能，近10年來我國對氣相防銹劑的研究生產從模仿外國產品到自主創新研發產品邁出了很大一步， 對節約金屬腐蝕而造成的巨大經濟有很大的貢獻。由于目前緩蝕劑的毒性大、功能添加劑的用大，且防銹效果不能明顯提高，因此研發高效環保的新型緩蝕劑也是重點方向，目前混合型緩蝕劑易造成非金屬結構的老化和損壞，而且也會引起其他金屬的腐蝕，還因涂布量過高導致價格貴的問題，應重點發展復合型氣相緩蝕劑，使其對親和的金屬優先吸附;低聚型或縮聚型氣相緩蝕劑，是高效多功能緩蝕劑，另外該類緩蝕劑由于是聚合物相對于單體毒性會低很多，并且與各載體相容性好等優點 [9，17，20，25]。

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