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材料的腐蚀与涂装防护技术

信息来源:paintkey.com  时间:2008-11-14  浏览次数:236

  摘要:对腐蚀的概念及腐蚀的机理作了介绍和探讨,指出材料的腐蚀是自发的,人们追求的目标不是消除腐蚀,而是减缓腐蚀。此外,文章重点介绍了村料的表面处理和涂装防腐。
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  关键词:腐蚀;防护;涂装;表面处理?
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  1 引言
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  材料腐蚀是全世界面临的一个严重问题。腐蚀不仅消消耗了人们创造的宝贵财富,而且破坏了生产、生活等许多活动的正常运行。腐蚀和环境污染的关系也越来越引起人们的关注。据报道,全世界每年因腐蚀造成的直接经济损失大约在7000亿美元,是地震、水灾、台风等自然灾害总和的6倍,占各国国民生产总值(GNP)的2%~4%。我国腐蚀损失占国民生产总值(GNP)4%,钢铁因腐蚀而报废的数量约占当年产量的25%~30%。生产设备的腐蚀经常导致工厂停产停车,劳动生产率低、成本上升,甚至发生火灾、爆炸等安全事故。美国挑战者航天飞机在升空几分钟后爆炸,原因就在于燃烧管腐蚀,这是一个很惨痛的教训。为了防止腐蚀,人们创造了各种各样的防腐蚀办法、其中涂层防腐更为活跃。防腐蚀是有代价的抗争过程,且重在防护。电化学防护技术中的"外加电流"和"牺牲阳极"就非常贴切地表明了防腐就是附加条件或牺牲某种替代材料。防腐涂料和涂层技术,实际就是寻找可以身先士卒地与介质环境抗争的涂层材料,来替代金属表面,使之退居二线",进而保全金属构件或设备的整体及其正常运作。总之,人们致力于防腐技术研究,所追求的目标绝不是消除腐蚀,而在于选择付出较小的代价保护高出金属本身价值许多倍的设备、构筑屋或工程设施。本文从腐蚀原理和防腐工序出发,对材料的腐蚀与防护进行讨论。?
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  2 腐蚀的机理?
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  所有的材料尤其是金属,都存在着腐蚀与防护的问题。钢铁的腐蚀原理与其它金属有许多共性,所以在讨论金属腐蚀原理及其防护时,往往以钢铁为主要研究对象。根据腐蚀因素、腐蚀环境和腐蚀表面状态、金属腐蚀的机理可以分为化学腐蚀、电化学腐蚀和多因素腐蚀。
 

  2.l 化学腐蚀?
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  金属的化学腐蚀是金属在干燥气体(如氧、氯、硫化氢等)和非电解质溶液中进行化学反应的结果。化学反应作用引起腐蚀,在腐蚀过程中不产生电流。金属的化学腐蚀只在特定的情况下发生,不具普遍性。例如:金属的氧化M+O→MO。?
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  2.2 电化学腐蚀?
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  金属和介质发生电化学反应而引起的腐蚀,在腐蚀过程中有阳极和阴极区,电流可以通过金属在一定的距离中流动,如金属在各种电介质溶液(如海水、酸、碱、盐溶液、潮湿大气等)中的腐蚀。在一般情况下,电化学腐蚀主要为微电池腐蚀和浓差电池腐蚀。?
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  2.3 化学或电化学加机械因素的腐蚀?
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  这是多因素引起的腐蚀。由于各种因素的相互作用,往往产生非常激烈的腐蚀,一般包括应力腐蚀、腐蚀疲劳、空蚀腐蚀等。
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  3 材料的保护
 

  防止金属腐蚀的主要方法必须从金属和介质两个方面来考虑。
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  3.1 正确选用材料并且注重加工工艺?
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  材料的保扩是一项综合工程,是生产的一个重要组成部分,需要多方面的配合和各个环节的衔接。
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  在设备和工程材料选择方面,在满足生产主要技术、工艺和经济指标的前提下,应尽可能使用在给定的腐蚀条什下稳定性好的材料。如:在H2S04溶液贮槽中采用衬金属铅和陶瓷材料:在建户外结构时,在强度允许的情况下,使用金属铝及其合金,因为铝在一般空气中不易腐蚀,表面有一层氧化膜保护层;在设计方面,设备和工程的结构和组合应该符合防腐蚀规律。要尽量避免不同金属的搭接和铆接。焊缝不宜太多,各部分受力要均匀。在技术规范和生产工艺上,如果有选择余地的话,应把反应温度低、压力小、生产腐蚀性副产物少、防腐蚀要求不苛刻和设备维修容易等条件作为首要考虑内容。?
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  3.2 覆盖层保护?
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  以各种方法将耐腐蚀的材料覆盖在被保护的底材上,使其不与腐蚀介质直接接触免遭腐蚀的方法,都属于这一类。最常用、最简便的是在金属表面覆盖上防腐涂料、塑料、橡胶、搪瓷、陶瓷、玻璃、石材等非金属材料。此外,在金属表面可以化学镀、电镀、热喷镀、热溶浸镀一层耐腐性良好的金属、金属合金,如:Ni、Cr、Zn、Al、Sn、Cu等金属。金属覆盖保护可分为阴极覆盖保护和阳极覆盖保护,作为阳板覆盖层的金属,应比主体金属有更负的电极电位,例如:在铁上覆盖Zn、Al等;阴极覆盖层金属的电极电位比被保护的主体金属更正,如在铁上覆盖Ni、Cu、Sn、Pb等,主体金属是阳极,霞盖层是阴极,所以覆盖层必须是完整的才能达到保护底材的目的。?
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  3.3 电化学保护?
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  电化学腐蚀的必要条件是:阳极、阴极、电介质、电流回路。除去或改变其中任何一个条件即可阻止或减缓腐蚀的进行。涂层能将金属周围的电介质隔离开,实际上也有电化学防腐的作用。电化学防腐主要通过阴极保护和阳极保护来实现。?
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  3.4 腐蚀介质处理?
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  根据腐蚀介质的成分和作用特点,对腐蚀介质予以处理,一般是从腐蚀介质中除去具有腐蚀性或促进腐蚀的物质,此外,在腐蚀介质中加入缓蚀剂。4材料的涂装防护?
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  涂装保护是金属防护最直接、最方便、最有效的一种手段,涂装防护已有很久的历史,它将防护与美观有效的结合起来,颜色多样。因此,涂装防护在防腐方面是其它手段不可取代的。?
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  4.1 涂装防护的作用?
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  在涂料中加入大量的作为阳极的金属粉,以涂料的施工方法覆盖在金属的表面上形成保护层。在腐蚀过程中,它作为阳极被腐蚀,机体金属被保护。富锌底漆就是此类代表。?
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  4.2 材料表面处理?
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  被涂材料表面在涂装前是否经过必要的表面处理,使其达到表面平整光洁,无焊渣、锈蚀、酸碱、水分、油污等污物,是保证涂装的关键。例如,如果被涂物表面有油或有水,涂装后有可能难以形成连续涂膜,即使形成了连续涂膜,也会严重的影响涂膜的附着力,使涂膜过早的剥落,失去其保护和装饰作用。被涂物表面的绣蚀、酸碱等污物不除,也会带来同样的后果。因此,在涂装前进行完善的表面处理,对增强涂膜的附着力,更大地发挥涂料的保护和装饰作用,延长产品的使用寿命,起着极为重要的作用。防腐效果的好坏,60%~70%在于表面处理和施工,即四分涂料,六分施工,由此可见表面处理和施工的重要性。
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  (1)除油?
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  除油一般有几种办法:有机溶剂除油、化学除油、电化学除油和乳化清洗除油。最常用的是化学除油和有机溶剂除油。化学除油利用油脂在碱性介质中发生皂化作用,分别将皂化油污除去,因此,也叫热碱除油法,这种除油效果最好。有机溶剂除油是利用溶剂对油脂的溶解作用而清除油污的办法,只适用于轻度油污的工件。常用汽油、丙酮、苯类等溶剂。溶剂毒性大,易于着火,除油不太干净。?
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  (2)除锈(主要指黑色金属)?
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  除锈有几种方法:手工除锈、机械除锈、喷射除锈、化学除锈等。前三种除锈效果一般不佳,如果物件面积较大,很难清除干净。化学除锈利用锈的氧化物与酸溶液发生化学反应,将表面锈层溶解、剥离以达到除锈的目的,所以又称"酸洗"除锈。表面除锈的好坏,对涂层的耐久性影响很大。瑞典科学家曾做过大规模曝晒实际试验,试验结果表明,除锈好坏可使涂膜耐用年数相差4倍以上。?
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  (3)磷化处理(黑色金属)、阳极氧化处理(铝及其合金)?
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  工件表面在除油、除锈后,一般不能立即涂漆,为防止重新生锈和提高涂膜的附着力,常通过一定的化学处理,使基材表面形成一层保护性的薄膜,常用的有氧化、磷化等方法。对于黑色金属,这一工序很重要,一般不能轻易省略,因为氧化膜和磷化膜也有防腐的作用。一般磷化有高温磷化、中温磷化和低温磷化,前两种磷化效果较好,磷化后所形成的磷酸锌盐磷化膜是针状结晶,可增强涂膜和金属的附着力,而切还有很好的耐腐和耐热性,磷化以后若防腐要求很严格,还需进行钝化处理,一般用铬酸盐溶液处理,也称铬化,主要是封闭磷化层的孔隙,使磷化层中裸露的部分钝化,以抑制残余的磷化加速剂的腐蚀作用,进一步增强防护能力。磷化完成以后,应按照国标GB6807-86对磷化膜质量进行检测。一般防腐的失效大多是由于磷化膜不合格所造成。对于铝及其合金材料,除油、除锈后,应立即进行阳极氧化处理。?
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  4.3 涂料的选用?
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  如前所述,防护涂料的品种很多,性能各异,被保护的对象多种多样,使用条件各不相同。总之没有"万能涂料"可以适应各种用途。因此,选择涂料是十分重要的。但是,一种优异的防腐蚀涂料必须具备以下特征:?
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  (1)耐腐蚀性能好?
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  所谓涂料的耐腐蚀性是指其固化涂层对它所接触的腐蚀介质(如水、酸碱、盐、各种化学药品、废液、化工气体等),在物理性质和化学性质方面都是稳定的,即不被腐蚀介质溶胀、溶解,也不被腐蚀介质所破坏、分解,不和腐蚀介质发生有害的化学反应。?
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  (2)透气性和渗水性要小?
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  涂层一般都有一定的透气性和渗水性,为此必须选用透气性小的成膜物质和屏蔽作用大的涂料。?
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  (3)要有良好的附着力和一定的机械强度?
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  涂膜能否牢固地附着在金属基体上,是其能否发挥防腐作用的关键因素之一;除此之外,固化涂膜还应具有一定的物理机械强度,以承受在工作条件下的应力。?
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  (4)涂料成本和涂装费用低?
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  在一般情况下,涂装的保护费用要低于其它的保护方法。
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  施工费用高于涂料本身的费用。?
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  总之,实际中往往会出现这样的情况,某一涂料品种耐腐蚀性能很好,但对基材附着力和机械性能不佳而无法使用。为了解决耐腐蚀性能和机械性能之间的矛盾,常常采用几种涂料复配的方法。?
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  4.4 涂膜的结构与性能?
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  众所周知,涂料的基本特征是由成膜树脂所决定的,成膜树脂主要是有机高分了化合物,有机高分了化合物的固有特性则是由它的分子结构链节所决定的。因此,影响防腐涂料性能的主要因素可归结到成膜树脂的结构。例如:含亚甲基键节的烃系树脂如酚醛树脂、聚乙烯树脂等具有较好的耐化学药品性、耐水性、耐腐蚀性。含酯键链节的树脂如醉酸树脂、聚酯树脂等,易被碱水解,故其耐化学腐蚀性较差;含醚键的环氧树脂、酚醛树脂等则具有很好的耐腐蚀性;含氨基甲酸酶链节的聚氨酯树脂也具有极好的耐腐蚀性能。但值得注意的是,每种树脂都含有多种化学结构和基团,而且多种化学结构和基团之间相互影响,再加之遇到的腐蚀介质和所处的腐蚀环境不同,因此在分析成膜树脂结构对防腐涂料的影响时,一定要具体分析,这样才能取得预期的效果。总之,从结构上看,碳链聚合物形成的涂膜其耐腐蚀性能比杂链聚合物的要好,若以氟、氯等元素取代碳链上的氢原子,因氟、氯等原子的半径较小,对碳-碳键的间隙有充填屏蔽作用,加之氟-碳键和氯-碳键的键能高于碳-碳键的键能,因此,可提高其耐腐蚀性能。另外,固化涂膜中应尽可能不含低分子化合物,同时避免羟基、羧基、醛基、氨基等活性基团的存在。固化涂膜中双链数也应减少到最低数,以避免产生过多的腐蚀介质作用中心而加速腐蚀的进行。在成膜树脂确定的情况下,成膜树脂聚合度的增加,漆膜的强度、耐磨性、软化点、化学稳定性和耐候性均有所提高。?
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  4.5 涂装设计?
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  在防护涂装的设计中,往往是根据成膜物质的性能特长派以不同的用场。例如:采用具有化学活性的成膜物质作为底漆,如环氧树脂类。面漆则采用化学惰性的高聚物,如丙烯酸酯类、脂肪族聚氨酯类以及含氯含氟乙烯类树脂。通过反应性树脂的配合或使用催化剂,使具有化学活性的成膜物质,在涂装后的干燥过程中,官能团之间进行化学反应,生成网状立体结构,也能达到兼顾附着力和耐候性的目的。总之,在大多数情况下涂装设计时,涂层体系由底漆、中涂漆和面漆构成。底漆对底材和面漆有较高的附着力和粘接力,并有缓蚀防锈作用;中层漆是过渡层,起抗渗作用;面漆则起抵抗腐蚀介质和外部应力的作用,三者构成的涂层发挥总体效果。?
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  4.6 涂装作业?
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  在前面各工序完成并检验合格后,就可以进行涂装作业。随着涂装技术的进步和涂料新品种的涂装要求,目前已有十余种涂装方法。例如:刷涂、浸涂、淋涂、辊涂、空气喷涂、高压无气喷涂、静电喷涂、电泳涂装、自泳涂装、粉末硫化床涂装等等。每种方法各有特点和一定的适用范围,应根据涂装对象、技术要求、涂装设备条件和工艺环境等情况,正确地选用合适的涂装方法,才能收到涂装质量灯、效率高、成本低的效果。涂料被涂覆在物体表面上,由湿膜或干粉堆积膜转化为连续的固体沈膜的过程需要干燥或固化。一般干燥的方式有三种,自然干燥、加热干燥和高能辐射干燥。自然干燥对环境要求比较严格,尤其温度和湿度。一般情况下,涂装的温度应控制在15~30℃,湿度在65%以下为宜,并尽可能避免阴雨天施工。
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  在室内施工时,应注意通风、排污、防火。对于加热干燥,无论从涂层性能质量上还是从经济方面衡量,都是一种有效益的干燥方法。同一种涂料,烘干漆膜的耐腐性,大多数优于自干漆。烘干温度在100℃以下为低温烘干;100~150℃为中温烘干;150℃以上为高温烘干。高能辐射干燥技术,当前主要指用紫外线照射和电子束辐射固化有机除层的技术,是比较新的涂装干燥技术。它们的特点是固化速度极快,干燥过程在几秒至几分钟之内即可完成,能量利用率和干燥效率非常高,涂装成本低,基本不污染环境。?
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  虽然涂装有许多新技术。但目前为止防腐涂装仍以自然干燥和加热干燥为主。5结束语?
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  材料的腐蚀与防护,一直是一对矛盾。腐蚀是自然的,特别在恶劣的环境下,例如:沿海地带(严重的盐雾、空气温热)、酸雾地区(如H2S、S02、CO2、CO、NO2等)、大型化工和石油化工加工厂周围、大型火力发电厂附近等地区,腐蚀的程度更为严重。人们不能从根本上抑制腐蚀的发生,但可以设法对腐蚀材料进行保扩,使其腐蚀的速度减慢。在这一过程中,人们创造了各种防腐的方法,涂料防腐是其中最为广泛使用的一种。?
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  为能够形成完善的防腐涂层,应当做好:?
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  ①选用合适的涂料体系;?
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  ②制订最佳的涂装工艺;?
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  ③进行正确的表面处理;?
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  ④严格执行涂装程序管理。

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