納米材料在防腐蝕涂料中的應用

金少波

（大廠金隅涂料有限責任公司，河北 廊坊065000）

涂料涂裝防腐蝕技術是應用十分廣泛的一種技術方法，在納米技術的研究和應用逐漸興起之后，將納米材料引入到防腐蝕涂料領域得到了越來越多的關注。

1 國內外納米防腐蝕涂料的研究概況

1.1 國外納米防腐蝕涂料的研究

就目前來看，納米材料的主要應用形式有兩種，其一，將其應用到傳統材料中以提升材料的整體性能；其二，采用成型工藝將納米材料制作成固體材料。相對而言，第一種形式最為常見。國外企業和研究機構針對納米防腐蝕涂料的研究成果如下：

1）Nanophase Technologies 公 司[1]將 透 明 清 漆和NanoTek 氧化鋁產品[2]混合后獲得了耐磨性極強的新型透明涂料。2）將納米TiO2和鋁粉顏料或是云母珠光顏料進行混合并加入到涂料中，這種混合涂料常用作豪華轎車面漆，可以顯著的提升金屬顏色的豐滿度。此外，納米ZnO 在紫外光照射下會發生分解作用產生有機物質，具有抗菌和除臭的效果。3）將納米超細粉末，如鎳鉻粉、鐵氧體粉末等配制具有隱身特性的材料可用于軍事領域，如飛機、軍艦、潛艇等。其原理是納米超細粉末對雷達波和紅外線均具有超強的吸收作用。4）日本松下公司[3]利用納米氧化物粒子所具有的半導體特性研制出了具有良好靜電屏蔽效果的復合涂料。

1.2 國內關于納米防腐蝕涂料的研究

近些年來，我國很多研究人員都將精力投入到納米顆粒改善涂料性能的研究方面，研究內容涉及到了優化原理、添加比例等。如中科院金屬研究所[4]針對因海洋環境而產生的腐蝕問題，研究了納米改性環氧煤焦瀝青涂層，綜合應用研磨和添加表面改性劑的方法，在環氧煤焦瀝青中添加不同比例的納米鈦粉，結果顯示納米鈦粉含量為10%的情況下，涂層的防護性能最優。

此外，華南理工大學[5]基于不銹鋼和低碳鋼表面制備納米TiO2涂層的基礎上，添加SnO2實現了復合涂層的制備，這種涂層可以對低碳鋼的光陰極提供良好的保護，防止腐蝕現象的發生。北京化工大學[6]采用機械攪拌的方法將納米TiO2添加到環氧富鋅涂料中獲得了改性環氧富鋅涂料，將其涂在耐候鋼的表面可以減小腐蝕電流。浙江大學研究出了一種納米涂料的表面原位納米改性制備方法，采用此方法可以制備出具有優良性能的納米涂料。

2 納米材料在防腐蝕涂料中的應用分析

納米材料是一種具有表面效應、量子尺寸效應、光學效應等多種效應的特殊結構體，將其應用于防腐蝕材料中可以大幅度的強化材料的強度、人性以及收縮性，使其獲得更高的功能。目前，防腐蝕涂料中比較常用的納米材料包括以下幾種。

2.1 石墨烯材料在防腐蝕涂料的應用

石墨烯屬于二維納米材料的一種，表現出表面疏水、量子霍爾效應、大比表面積等多種特征，且具有優異的電化學性質以及穩定的化學性質。其獨特的片層共軛結構能夠形成多層疊加的致密的隔絕層。在防腐蝕涂料中，石墨烯的添加可以實現涂層微觀孔結構的改善，使涂層能夠有效阻隔水、氧氣以及腐蝕離子的滲透。此外，利用改性體以共價鍵和非共價鍵的修飾方式對石墨烯及其衍生物進行處理后，可以使其與水和聚合物具備良好的相容性，這樣一來就可以獲得致密性更高的涂層。如基于聚丙烯酸鈉進行石墨烯水分散體的制備，根據研究結果顯示，當石墨烯的摻量為0.5%時，可以將腐蝕密度控制到最低。受到改性體結構、添加量等因素的影響，經過改性處理之后的石墨烯及其衍生物在防腐蝕涂料中的均勻穩定分散強度存在一定的差異性，相應的對涂料防腐蝕性能的強化程度也有所區別。

2.2 納米無機氧化物在防腐蝕涂料的應用

納米無機氧化物具有結構穩定的特點，由于來源廣泛，因此制造成本相對偏低，將其均勻分散于防腐蝕涂料中可以有效減弱涂層對腐蝕離子的滲透性，實現涂層機械性能和防腐蝕性能的提高。目前防腐蝕涂料中應用較多的納米無機氧化物主要有納米TiO2以及納米ZnO 兩種。

納米TiO2是一種結構多樣的半導體材料，光學性能、電學性能以及化學性能都十分優越，將其應用于防腐蝕涂料中，可以強化涂層的隔熱性、耐候性以及防腐蝕性。結構上存在的差異性會影響到納米TiO2粒子對涂層防腐蝕性能的提高程度，相較而言，介孔結構的性能提升效果最佳。如Wang 等[7]對模板介孔型納米TiO2和介孔型納米TiO2以及納米TiO2三種不同結構的TiO2對環氧涂料防腐蝕性能的提升效果進行了對比研究，根據結果顯示，介孔型納米TiO2改性的環氧涂層所具有的防腐蝕性能更強。

納米ZnO 是一種具有款能帶間隙、高激發結合能以及低光催化活性的納米材料，具有提高防腐蝕涂料涂層的穩定性和防腐蝕性能的效果。在納米ZnO 粒子應用的過程中，其表面性質決定了其能否穩定的分散到防腐蝕涂料中。對此，可以采用改性物對納米ZnO 的表面進行改性，將其表面效應和小尺寸效應充分發揮出來，使其與涂料之間形成更加緊密相容的結構，以延緩腐蝕介質對涂層的滲透。Christopher[8]將磺化木質素改性以及海藻酸鈉改性的納米ZnO 對聚氨酯涂料防腐性能的提升效果進行了對比分析，根據研究結果來看，當二者的摻量為0.3%時，可以獲得最理想的防腐蝕性能提升效果。

除了上述兩種材料之外，包括CeO2、AlO3以及SiO2在內很多納米材料對防腐蝕性能涂料的性能也具有一定的提升效果，尤其是在對腐蝕電解質的阻礙效應方面，可以為基材提供良好的屏蔽保護效果。如Rahman 等[9]對納米Fe3O4應用于水性環氧丙烯酸涂料的效果進行了研究，結果顯示，當該材料的摻量為2.5%的情況下，涂料涂層的抗沖擊性、彎曲性等可以獲得最理想的改進效果。此外，Dhoke 和Xiao 等[9]研究得出了Fe2O3對防腐蝕涂料的性能影響效果，該納米材料可以顯著降低涂層的孔隙率，強化涂層的機械能和光學性能。

2.3 納米導電聚合物在防腐蝕涂料的應用

納米導電聚合物可以在金屬表面形成一層致密的鈍化氧化膜，這層膜可以改善涂層和金屬界面的理化性質，強化涂層的附著力，同時將水和氧氣阻隔在外。而且納米導電聚合物的氧化還原特性還能夠不斷對這層氧化膜進行修補，使其強化效果可以持久的保持下去。因此將納米導電聚合物應用于防腐蝕涂料中，可以對底材提供良好的保護。如Bagheradeh[10]將納米PANI 和微米PANI對環氧涂料防腐蝕性能的影響效果進行了對比分析，得知當納米PANI 摻量為0.01%的情況下，即可在金屬表面形成極其穩定的致密氧化層，延緩金屬的腐蝕速率。相對而言，微米PANI 對水性涂料防腐蝕性能的提升效果則十分有限。出現這種現象的原因在于納米級導電聚合物在金屬表面形成的氧化膜擁有更強的致密性。此外，通過改性體對納米導電聚合物粒子表面進行改性處理，可以有效改善其于基體之間的相容性，使其在涂料中的分散變得更加穩定，這樣可以實現涂料防腐蝕性能的提升。

2.4 納米黏土在防腐蝕涂料的應用

納米黏土具有良好的力學、電化學以及熱學性能，這使其在現代材料研究領域獲得了廣泛的關注。將其應用于防腐蝕涂料中，可以改善涂層的孔隙率，從而阻隔腐蝕介質對涂層的滲透。納米黏土對水性防腐蝕涂料性能的影響程度取決于其種類、結構及其在基體中的分散性等因素。在所有方法中，采用改性體對納米黏土粒子表面進行改性處理，優化其分散性，使其與基料形成良好的相容性，這是利用納米黏土提高涂料防腐蝕性能最常見的方案。

3 結語

綜合以上內容來看，很多納米材料對于涂料防腐蝕性能都有著一定的提升效果，其中的原理是納米材料改善了涂料和基材表面的理化性質。但需注意的是，納米材料實際應用于涂料中時，同樣存在一定的技術問題有待解決，包括如何保障材料穩定分散等，需要更深入的研究。