納米材料在防腐蝕涂料中的應用分析

鄒 武 田繼忠 徐 蕾 陳寅杰

（蘇州市金能高新材料有限公司，江蘇 蘇州 215000）

運用涂料進行防腐工作已有數千年歷史，先人們在木器防腐與裝飾時就開始利用大漆，如今已有了很高的實際應用水平。隨著人們廣泛使用鋼鐵等金屬材料，防腐蝕涂料逐步出現并發展成為一門學科。尤其是現代工業技術為防腐蝕涂料的發展提供了技術支持與市場，逐步向著新形勢前進。納米技術發展給涂料行業提供了創新的機會，涂料工業中納米材料依托自身優勢展現出更大的發展空間。在防腐蝕涂料中應用納米材料時，需要綜合考慮各方面因素，根據涂料用途選擇合適的納米材料技術，實現提高防腐蝕涂料性能的目的。防腐蝕涂料與納米材料的融合，要選擇合適的切入點，推進納米技術與防腐蝕涂料的融合質量，促進防腐蝕涂料性能的提升。

1 防腐蝕涂料的性能及特點分析

防腐蝕涂料分成兩類，一類是常規防腐涂料，另一類是重防腐涂料，也是較為常見的一種油漆涂料。實際中需要根據具體使用情況選擇防腐蝕涂料，切實發揮防腐蝕涂料的作用。就當前情況來說，防腐蝕涂料的性能與特點體現為長效性防護、表層厚膜化、超強附著力且應用較為簡單，現將其特點總結歸納如下。

1.1 長效防護保護

防腐蝕涂料可以在苛刻環境下使用并達成長效防腐的目的，通常會在化工環境、海洋環境中使用重防腐涂料，使用壽命為10-15a，即便處于較為特殊的溶質中在常溫環境下依舊可以使用至少5a 時間[1]。長效性特點可以顯著降低使用成本，減少應用環節，避免出現短時間內就需要重復涂抹的情況，無形中增加使用成本。

1.2 厚膜化的特點

實際中常規防腐蝕涂料干膜厚度為100 或150um，重防腐涂料則可以達到200 或300um 以上。防腐蝕涂料通過在被防護網表層形成一層保護膜，避免其與空氣中水分、腐蝕物質等結合出現腐蝕情況，進一步延長相關設備使用壽命與質量。

1.3 極強的附著力

涂層與基體之間存在極強的結合力，這是因為涂料組成中有著羥基，金屬基體可以提供正離子，雙方結合形成穩定的化學鍵，借助涂料偶聯劑甚至形成共價鏈。這種穩定的分子結構可以有效避免出現腐蝕情況，通過這種附著力延長防腐蝕涂料的使用壽命，進一步提高設備使用質量。

1.4 施工較為方便

防腐蝕涂料施工較為簡單，可以實現常溫環境下固化，一般情況下15min 左右表面即可干燥，全體干燥則需要2h 左右，可以滿足高效施工。同時，涂層本身具有自我修補特點，即便外力影響出現局部劃痕，依然可以起到保護作用，切割或焊接時也不會損傷涂層。這一特性使其受到廣泛歡迎，應用范圍逐漸擴大，可以根據具體要求進行選擇，提高防腐蝕涂料的應用效果。

2 納米離子的主要特性分析

納米粒子有著自身的特點，只有了解這一特點，才能推進納米粒子與防腐蝕涂料的融合，提高涂料的使用性能。納米粒子熱力學層面上是極不穩定的，因此將其看成是新的物理形態，介于宏觀物質與微觀離子之間的一種特殊狀態，這就使得他們具有更多的特性，主要內容如下。

2.1 較大比表面與表面張力

納米粒子的平均粒徑為10-100nm，它們的比表面積可以達到10-70m2/g。在這一特點下納米粒子內部存在較大的壓力，使得內部原子之間間距小于塊材，因此存在較大的表面張力[2]。

2.2 降低熔點

納米粒子狀態下熔點明顯下降，比如：金塊的熔點為1063℃，但當金處于納米狀態時，熔點會下降到300℃左右。因此，金處于納米狀態時，較低溫度下可燒結或熔融，這一特點可以合理利用。在防腐蝕涂料中應用納米粒子，可以切實提高涂料性質，增加其應用范圍。

2.3 磁性變化分析

晶粒的納米化，可以將原先抗磁性物質轉為順磁性，如：金屬Sb 本身狀態下為抗磁性，但處于納米狀態下會展現出順磁性的特點。同時，處于納米化狀態的物質會展現出各種磁效應、巨磁阻效應等特點[3]。實際中防腐蝕涂料制作時可以合理利用這一特點，增強防腐蝕涂料的使用性能。

2.4 物理性質出現變化

當金屬以納米狀態呈現時，顏色為黑色，且顏色與粒徑呈反比，即顏色越深、粒徑越小，這意味其粒徑越小的納米粒子吸光能力越強。一旦顆粒尺寸＜50nm，通常應力情況下位錯源無法起到應有作用，無法提高金屬強度；納米粒子粒徑約為5～7um 的銅與鈀，納米固體硬度與彈性強度明顯增加，與常規狀態相比高出約5 倍。

2.5 導電性能增加

實踐表明，納米CaF2離子電導率顯著增加，相比多晶粉末狀態的CaF2直接高出一個數量級，比單晶狀態直接高出兩個數量級。

同時，納米粒子還有很多特點，如高性能化學反應、較大比熱容、低溫環境下熱導性增加、作為催化劑時效率高且隨著粒徑減小，以及處于超導臨界狀態時溫度逐漸提高等。

3 防腐蝕涂料中納米材料的具體應用

當前，防腐蝕涂料中廣泛應用納米材料，但納米材料種類較多、特點各異，需要根據實際情況選擇合適的材料種類。就目前來說，防腐蝕涂料中應用納米材料時，常用的材料主要包括石墨烯納米防腐蝕涂料、納米改性丙烯酸樹脂防腐涂料、納米黏土應用以及有機硅改性丙烯酸酯納米涂料，具體內容如下所述。

3.1 石墨烯納米材料

石墨烯納米材料具有很多性質，如表面疏水性、量子霍爾效應及大比表面積等，同時電化學性質優異、化學性質穩定。石墨烯有著獨特的片層共軛結構，這一結構的存在可以形成較為致密的隔絕層。因此，在防腐蝕涂料中合理添加石墨烯納米材料，借助這一材料可顯著改善涂層微觀孔結構，實現提高涂層阻水、阻氧及腐蝕離子滲透的能力[4]。

將石墨烯和氧化石墨烯作為填料分散到涂層基質中，可形成石墨烯基復合涂層，相關研究始于2012 年，主要利用石墨烯的化學性質穩定和阻隔性優越，來延長腐蝕介質抵達涂層表面的通道。石墨烯及其衍生物的復合涂層結合了石墨烯的強粘合性能和涂層基質的成膜性能，從而可以改善涂層的整體性能。但是石墨烯和氧化石墨烯不能均勻地分散在復合涂層中，導致其耐腐蝕性差。因此，均勻而穩定的分散對于增強涂層的耐腐蝕性很重要[5]。

目前，三種主要改善石墨烯或氧化石墨烯在涂料基質中的分散性的方法為物理分散、非共價改性和共價改性。通常，表面活性劑的分子結構是兩親結構，疏水端可以與石墨烯和氧化石墨烯表面的疏水結構形成強吸附作用，相應地，親水端可以與石墨烯和氧化石墨烯更好地相溶。共價改性是化學反應的結果，可以形成有機-有機共價鍵或無機-有機共價鍵。通常，由于化學鍵的形成，改性的 GO 傾向于在涂層基質中獲得更好的分散穩定性和其他特性，例如高的熱穩定性和抗氧化性。根據形成化學鍵的化學反應不同，將共價改性分為有機官能團接枝改性、聚合物分子改性、無機納米粒子功能化和還原反應。

3.2 納米改性丙烯酸樹脂防腐涂料

近年來，納米鈦的電極電位較低，在空氣中容易被氧化成二氧化鈦膜，并且具有優異的耐紫外性能、耐候性和分散性，廣泛應用于防腐涂料中。金屬納米鈦粉具有納米尺寸效應、較輕的質量和優異的高強度，其耐腐蝕性能優異，可以作為顏料應用于涂料配方中，從而顯著改善涂層的耐腐蝕性能。由于納米材料具有較高的比表面積和納米尺寸效應，在分散體系中容易發生團聚，因此，納米材料應用到涂料中前主要需解決分散性和穩定性的問題[6]。

由于納米材料尺寸較小、表面自由能高，能夠產生靜電吸引，因此納米粒子極易團聚，從而降低其體系的分散性。納米粒子具有較強的極性，與體系的相容性較差，極易形成涂層缺陷，且涂膜均度較低，降低了它的耐鹽霧等性能。通過采用機械化學方法，以硅烷偶聯劑KH550 作為改性劑，對納米鈦進行包覆，賦予納米鈦親油性能，從而提高納米鈦與高分子樹脂之間的界面相容性；再與環氧樹脂進行復合引入環氧基團，高速球磨法對單組分丙烯酸樹脂進行納米雜化改性，制備納米鈦改性的丙烯酸樹脂。以此樹脂制備納米鈦合金單組分丙烯酸樹脂涂料，測試結果表明，通過納米鈦改性的丙烯酸樹脂防腐涂料性能優異。設定球磨轉速為400r/min，球磨時間4h，球磨介質為硅烷偶聯劑KH550，加入量為1.5%（質量分數），并輔以環氧樹脂，球料比為4：1 時，納米鈦改性丙烯酸樹脂成功制備。鈦粉受強機械力作用產生形變，表面包覆，所得納米鈦改性烯酸樹脂大致呈現片層結構，為黑色漿狀。

3.3 納米黏土應用分析

納米黏土有著良好性能，主要為良好力學、優良電化學、顯著熱學性能，因此現代材料領域研究過程中高度關注這一材料，旨在提高防腐蝕涂料的應用性能。防腐蝕涂料中應用納米黏土時，可以轉變傳統涂料中存在孔隙率過大的情況，實現有效阻隔涂層受到的防腐蝕介質的滲透。同時，納米黏土作用的發揮，也受到防腐蝕涂料的種類、組成及基體分散性等因素的影響[7]。

當前最為常見的方法，就是對納米黏土粒子表面選擇改形體進行改性處理，實現提高基體分散性以增強與基體的相容性。這也是當前涂料防腐蝕性能提高中利用納米黏土的較為常見的方案。實際中防腐蝕涂料研發中合理應用納米材料，可以顯著改善涂料性能，大幅度提升涂料防腐蝕性能。此外，防腐蝕涂料應用納米黏土時，需要考慮實際性能選擇合適的著手點，制定合適的涂料制作方案，大幅度提升防腐蝕涂料的性能，擴大其應用范圍。

3.4 有機硅改性丙烯酸酯納米涂料

市面上常見的樹脂涂料多為丙烯酸酯類涂料，這類涂料具有附著力強、柔韌好、在紅外區吸收小等優點。但是，由于丙烯酸酯類樹脂有耐溫性、耐水性、透氣性差等缺點，使得其極易被風化侵蝕，從而縮短了其使用年限。有機硅因其獨特的化學結構而具有優異的性能，其Si-O 鍵具有很高的鍵能，遠大于C-C 鍵能、C-O鍵能，鍵旋轉容易，具有較低的玻璃化轉變溫度，這些特性使得有機硅氧烷具有防水、高低溫穩定、耐紫外線和紅外輻射以及耐氧化降解等優良性能。利用有機硅改性丙烯酸樹脂，可大大改善丙烯酸酯類涂料的綜合性能，使其在建筑及化工領域得到更為廣泛的應用[8]。

碳納米管是一種結構獨特的一維量子材料，具有優良的力學性能、彈性模量、磁學性能、光學性能和導電性等特性。已有研究表明，在樹脂基體中加入適量的碳納米管，可有效改善樹脂的力學、電學、導熱、導電、耐摩擦及耐酸堿腐蝕性能，可廣泛應用于電磁屏蔽、靜電噴涂、涂層功能化處理等多種領域，是當前國內外的研究熱點。但碳納米管在樹脂基體中的分散性較差，易出現團聚現象，影響其對復合材料力學、導熱等綜合性能的提高效果。因此，如何對碳納米管進行表面改性，實現其在樹脂基體中的均勻分散是制備高性能復合材料的關鍵。

總之，做好防腐蝕涂料與納米材料融合的研究工作，可以推進行業技術進步與發展。文中通過分析防腐蝕涂料的性能及特點，接著討論納米材料的特點，最后討論防腐蝕涂料中應用納米材料時，常用的主要包括石墨烯納米防腐蝕涂料、納米改性丙烯酸樹脂防腐涂料、納米黏土應用、有機硅改性丙烯酸酯納米涂料。同時，防腐蝕涂料研發中融入納米材料，可以顯著提升涂料的防腐蝕性能。納米材料本身有著顯著優勢，將這些優勢用于防腐蝕涂料研發中，依據研究方向選擇合適融入點，可促進兩者的有效融合，推進防腐蝕涂料的穩步發展。