海洋防腐涂料在海洋工程鋼結構中的研究與應用

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點擊次數:1134 更新時間:2019年02月23日10:49:55 打印此頁 關閉
海洋資源

海洋擁有著豐富的自然資源,并且它為人類提供了賴以生存的空間環境。海洋約占地球表面積的70%,它為人類的生存和發展提供了豐富的資源。


我國不僅國土遼闊,而且所屬我國管轄海域面積十分寬廣,其中海域面積相當于我國陸地面積的1/3。加上島嶼海岸線綿延長達5萬 km,有渤海、黃海、東海和南海四大主要海域。其中海區在500 ㎡以上的島嶼有6536個,擁有223 km領海權的海域面積達37萬k㎡ ,所管轄的專屬經濟區、海里領海、毗連區和部分國際海底區域面積近300萬 k㎡ 。這一寬闊的海域面積中蘊藏著豐富的海洋自然資源,海洋資源的開發是有著重要戰略意義的新興領域。


隨著人們對陸地資源的進一步開采使其日趨枯竭,海洋成為人類的生存和發展所依賴重要支柱,海洋資源的開發任重而道遠。海水的導電性很強,含有豐富的氯化物和硫酸鹽類電解質,是一種腐蝕性比較強的天然腐蝕劑。在海面風浪的機械攪拌和強烈的自然對流作用下海水是被氧所飽和的,所以普通的鋼鐵材料在海洋環境下會被嚴重腐蝕。例如會對港口機械設備、海洋平臺鋼構架、鋼棧橋及鋼樁碼頭等大型海洋工程鋼結構的安全運營造成巨大不可估計的經濟損失。因此探索高效穩定的海洋工程鋼結構的腐蝕防護手段任重而道遠。針對此情況,目前人們選用最多的就是在鋼結構外涂覆重防腐涂料。重防腐涂料是防腐涂料中最具代表性、威力和影響力最大、且有很大發展潛力的一類防腐涂料。

1
海洋工程鋼結構腐蝕現狀

海洋工程鋼結構是主要以鋼材料為骨架的海洋工程用結構建筑。據統計全球每年的鋼材產量超過10億 t,而每年僅因腐蝕而報廢的鋼鐵設備就相當于年產量的約30%。海洋工程建筑的數量隨著人們對海洋資源的逐漸開發日益增多。例如海港、采油平臺、人工島、海底管道等。因此通過研究鋼材料的腐蝕防護技術,以降低海洋腐蝕對國民經濟造成的損失,對于國家的發展有重大的意義。海水這一復雜的天然腐蝕介質會對于處于其中的金屬結構造成很大的破壞,是一種溶有大量以氯化鈉為主的鹽類電解質。它又不同于簡單的食鹽溶液,其中還含有懸浮泥沙、溶解氣體(O?,CO? 等)、生物及腐敗的有機物。因此海洋工程鋼結構的海洋腐蝕與防護是一個復雜而嚴峻的問題。

全球各個大洋就像是一個相互連通的大的平衡體。在海洋環境中,即使同一海域的同一地點也會表現出不同的腐蝕特征,這就是海洋腐蝕環境的復雜之所在。人們將海洋腐蝕環境大體分為5個帶區,分別為:大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區以及海泥區。海洋工程鋼結構在不同的腐蝕帶區的腐蝕情況表現出不同的特點。其中飛濺區和潮差區的腐蝕速率最高,對腐蝕防護技術要求難度最大。針對不同的帶區采取不同的防護手段,如涂覆涂料 、礦脂包覆防腐技術、電化學保護、材料改性 等。其中涂覆重防腐涂料是腐蝕防護方法中一種行之有效的重要手段。

2
重防腐涂料現狀

重防腐涂料是能在相對苛刻的腐蝕環境里應用,相對常規防腐涂料而言具有更長保護期的一類防腐涂料,具有長效防腐壽命且能在苛刻的腐蝕環境下使用。相比于普通涂料,重防腐涂料一次噴涂就可獲得較高的膜厚。其技術含量高,難度較大,涉及許多方面的綜合技術,不僅僅依賴涂料的經驗和知識,是多學科的知識交匯與融合。重防腐涂料的發展水平與性能,成為衡量防腐涂料先進技術和一個國家科學技術水平的標志。海洋工程鋼結構要經受嚴酷的腐蝕條件挑戰,它要求所用涂料有更強的附著力、耐沖擊力和抗酸堿性。重防腐涂料根據不同的標準有不同的分類方法。下面根據有無溶劑就溶劑型及非溶劑型重防涂料的研究進展進行分類介紹,并且介紹納米改性涂料這一新興領域的發展概況。

2.1

溶劑型重防腐涂料

涂料中的 VOC(volatile organic compounds)是指涂料中總揮發物含量扣減水分含量,認為是涂料中揮發性有機化合物含量,其對人體健康會造成巨大危害。當VOC達到一定濃度時,人在短時間內會感到頭暈、頭痛、惡心、乏力等,嚴重時會出現昏迷、抽搐,并會傷害到人的腎臟、肝臟、大腦及中樞神經系統,嚴重的會造成記憶力減退等后果。目前常用的海洋重防腐涂料多為溶劑型涂料,因為溶劑型重防腐涂料原料易得,性能優良,涂層附著力好,堅韌耐磨,不產生裂紋,耐化學品腐蝕。溶劑型涂料的主要品種有:環氧樹脂和環氧酯類涂料、醇酸樹脂涂料、聚氨酯類涂料、有機硅和氟化樹脂涂料、丙烯酸類樹脂涂料等。下面主要介紹一下最具代表性的環氧樹脂型和聚氨酯型重防腐涂料:

1環氧樹脂涂料

環氧樹脂型涂料是目前應用最廣泛,需求量最大的一類溶劑型重防腐涂料。環氧樹脂是一種線性結構的高分子材料,具有良好的穩定性、粘結性、絕緣性和力學強度,同時還具有較好的耐堿性和耐油性。1930年環氧樹脂最先由瑞士Pierre Castan和美國 SOGreenlee合成,在1947年實現了工業化生產。由于環氧樹脂難溶于水溶液中,而用有機溶劑價格高、易揮發,有些還有毒性、VOC較高,不符合目前環境保護的要求。溶劑型涂料的單道涂層厚度僅為100 μm左右,然而海洋重防腐結構涂膜厚度至少要 300~500 μm。這就需要多道涂工序才能達到規定膜厚,施工成本增加的同時,其溶劑對工人的身體健康也造成損害 。人們通過各種手段對環氧樹脂溶劑型涂料進行改性,如對其填料進行改性,對涂料中環氧樹脂進行有機硅改性 、酚醛改性 、橡膠改性  、聚氨酯改性 等手段進行改性處理。如李明等 將玻璃鱗片經復合硅烷處理劑處理后按20%~30%的用量制備出高性能的改性環氧樹脂涂料。涂層中呈片狀分布的玻璃鱗片有效阻止了腐蝕介質的侵入,并對于海洋工程鋼鐵結構有很好的防腐效果。Chonkaew等用端羧基丁腈橡膠和有機粘土成功制備了高強度耐磨損的改性環氧樹脂,可以用于浪花飛濺區等海水沖擊力強的海洋工程鋼結構的腐蝕防護。Li等 [12] 用中堿玻璃鱗片為主要防腐蝕顏料,制備出一種適用于海洋氣候的高固含厚漿型環氧玻璃鱗片涂料。當粒徑為300目時玻璃鱗片用量為20%~25%,其阻隔屏蔽效應最佳。相比較于普通環氧涂料在特殊性的海洋環境中,制備的環氧玻璃鱗片涂料性能更加優異。

2聚氨酯涂料

聚氨酯涂料由于其獨特的結構表現出優異的性能,如高強度,耐油耐磨及耐高溫等。聚氨酯涂料是開始研究較晚但發展勢頭強勁的一類涂料。聚氨酯的主要原料是異氰酸酯,異氰酸酯能與羥基樹脂結合并且還能與底材中的羥基結合,形成牢固的化學鍵和氫鍵,使涂料與底材之間形成很強的粘附力 。二異氰酸酯類是聚氨酯類涂料的重要原料,甲苯二異氰酸酯是目前最主要的二異氰酸酯類原料。二苯甲烷二異氰酸酯對人類及對環境的危害性遠小于甲苯二異氰酸酯,主要是由于其毒性及蒸氣壓較低。目前在聚氨酯的各個行業,二苯甲烷二異氰酸酯代替甲苯二異氰酸酯已是大勢所趨 。


追求高固體分、水性化、無(弱)溶劑化、無重金屬化、低表面處理化、高性能化、多功能化、低成本化、節省資源化是涂料發展的國際大趨勢 。水性涂料是迎合人們日益增長的環保意識而逐漸發展起來的。其特點是主要以水為分散介質,不含或含很少的有機溶劑所以,VOC含量低。相比于溶劑型涂料對環境及施工人員的健康損害少。


2.2

水性防腐涂料

水性涂料中沒有或者含有很少的有機溶劑而是以水作為分散介質,其無氣味、不易燃、價格低廉、儲存運輸及在使用過程中的安全性大大提高,且性能好。隨著國家政策對環境保護的日益嚴格要求,減少和控制涂料中VOC的含量是環境保護的一個重要措施。水性環氧防腐涂料的諸多性能優勢無形中決定了其比溶劑型防腐涂料的應用現狀更優良和前景更廣闊。

1水性環氧涂料

水性環氧樹脂有水乳型和水溶性兩種,它利用了環氧樹脂良好的穩定性及抗腐蝕性等優良性能。目前,環氧樹脂水性化有化學改性法、相反轉法和機械法等3種主要方法。機械法是在乳化劑的作用下機械高速攪拌加入環氧樹脂,使非水溶性的環氧樹脂以微?;蛞旱蔚男问椒稚⒃谒?。這一方法制備的環氧樹脂乳液穩定性極差,目前很少采用?;瘜W改性法指在環氧樹脂分子鏈上通過接枝改性引入強親水性基團,使得原本非水溶性的環氧不用外加乳化劑就具有親水性。相轉換法又稱相反轉法,將一定比例的環氧樹脂和乳化劑在高速攪拌下混合均勻,然后向體系中逐滴地滴加水,當水加到一定量時,體系就會從油包水型變成水包油型。此種改性手段相比較機械法產品性能更加優良、穩定,而相比與化學法操作更加方便、快捷。三種方法中普遍采用的方法是相轉法和化學接枝改性法。李績等  通過自制乳化劑利用相轉化法制備出了水性環氧樹脂乳液,將添加有TiO? 、滑石粉及其他助劑的固化劑與制備的水性環氧樹脂乳液混合制備出水性環氧涂料。國外科學家制備了自乳化水溶性非離子型固化劑,其同時具有固化和乳化的作用。制備的水性環氧樹脂涂料有很好的穩定性及耐腐蝕性。

2水性聚氨酯涂料

聚氨酯是異氰酸酯與多元醇反應生成的一種聚合物。聚氨酯涂料以其優異的性能在涂料行業中占有非常重要的位置,對各種施工對象和環境的適應性較強,可以在在潮濕的底材上施工和低溫下固化。20世紀90年代,Jacobs成功開發出能分散于水中的多異氰酸酯固化劑,從而使雙組分水性聚氨酯防腐蝕涂料進入實用研究階段。國內外對聚氨酯涂的研究也是從未間斷過 。S.S.Pathak等GPTMS(γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷)和有機硅MTMS(甲基三甲氧基硅烷)改性水性聚氨酯涂料,增強了水性聚氨酯涂料的機械應力和彈性。其熱穩定性提高較大,降解溫度也升高到約206 ℃,能夠適用于海洋、航天、汽車等領域的防腐。Hu等通過熱化學轉化法將粗甘油、游離脂肪酸、脂肪酸甲酯轉變成多元醇,制備出水性聚氨酯涂料。該涂料對鋼鐵表面表現出很好的附著性能,且涂料的鉛筆硬度測試高達F級別。

3水性丙烯酸涂料

水性丙烯酸樹脂乳液屬于非均相丙烯酸酯聚合物水分散體,具有來源易、使用安全、價格低、減少環境污染和公害、節省資源和能源等優點。丙烯酸樹脂乳液用途廣泛,性價比優越,是水 性 樹 脂 中 市 場 影 響 力 最 大 的 品 種 。 美 國Rohm&Hass公司以環氧樹脂為基料,以過氧化苯甲酰(BPO)作為引發劑,開發出水性雙組分環氧/丙烯酸涂料系列MAINCOTEAE-58。其在丙烯酸聚合中將環氧樹脂接枝到丙烯酸酯分子鏈中,且環氧基不開環,固化反應為雙鍵加成反應。所得雙組分乳液穩定性好、涂膜致密、貯存時間長、耐磨性和耐候性好、耐水性佳、光澤度高。湖北東盛特種涂料科技有限公司以DS-01 無皂乳液作為成膜物質,疏水改性聚羧酸鹽731A作為分散劑,二丙二醇甲醚作為成膜助劑制備了一系列性能優異的水性丙烯酸防腐漆。實驗表明,水性丙烯酸防腐漆體系具有很好的耐鹽霧性能,且一次成膜厚度高、表干時間較快、貯存穩定性良好。

4水性無機富鋅涂料

水性無機富鋅涂料主要由硅酸鉀等水性硅酸鹽樹脂、硅酸鈉、助劑以及鋅粉等組成。它屬于高固體分厚膜涂料,其以無機物為主要成膜物,防銹顏料為高含量的鋅粉,水為分散介質。水性無機富鋅涂料是海洋腐蝕防護領域中防銹性能相當優異的一類涂料,而且有很好的實用推廣價值。水性無機富鋅涂料已被各行各業所接受,因為其為一種零 VOC 的環保型防腐涂料,具有廣闊的應用發展前景。近年國外出現的無機磷酸鹽水性富鋅涂料,性能優異且對底材處理要求相對較低 。通過在常見的水性無機富鋅涂料中添加緩蝕性材料和有機成膜基料,使得水性無機富鋅涂料的施工適應性大大拓寬,改善了涂膜的致密性、附著性、抗滑移性和耐老化性。


水性重防腐涂料具有許多優點:涂膜附著力高、環保、耐化學藥品和耐腐蝕性能優異、耐磨性好、硬度高;涂膜固化后其中含有的少量水分,可使涂膜表面形成微孔隙,這些孔隙能釋放混凝土內部水汽的壓力。也有一些不可避免的缺點:施工過程中若不小心摻入污物容易在涂膜表面造成縮孔;不適宜冬季或低溫環境施工等。

2.3

新型納米改性涂料

隨著納米技術在全世界范圍內的廣泛研究,納米科技與生活的關聯性越來越大。納米科學技術已迅速融入到人們的生活,并預計在未來人類發展中發揮更加重要的作用。在涂料的制備與改性方面也出現了越來越多的納米技術手段、利用納米粒子的體積效應、表面效應、宏觀量子隧道效應和量子尺寸效應等,能夠改善涂料的各方面性能,增強其抗氧化性和硬度,使其具有抗菌性光、催化、吸收電磁波性以及對水、油的親疏性等特殊性能。新型納米改性涂料的研制已成為涂料防腐領域的一種新型趨勢,并日益向功能型轉化 。楊培等用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為分散劑,對自制的復合ZnO-CeO?納米顆粒進行分散改性。涂料中納米顆粒添加量為1%(質量分數)時改性涂料的紫外吸收效果最好,并且表現出良好的紫外吸收穩定性。添加納米顆粒的涂料的耐人工老化性能較未添加的提高90%,比國標中優等品的要求提高58%。王震宇等 利用納米氧化鋅和二氧化硅濃縮漿改性海洋船舶聚氨漆酯船殼漆和環氧底漆,制備出海洋納米復合涂料。通過對海洋加速循環老化試驗分析表明:1.2%納米氧化鋅濃縮漿可提高海洋船舶聚氨酯面漆的表面接觸角和抗老化性,進而可增強納米復合涂料在海洋環境中抗老化、耐腐蝕等性能。石墨烯是最?。?.34 nm)、最堅硬的納米材料,是目前電阻率最小的材料,具有優異的耐化學品性。黃坤等 實驗發現石墨烯添加量較低(0.5%)時,石墨烯/環氧復合導電涂層的耐強酸、強堿、濃鹽溶液浸泡和耐鹽霧侵蝕性很好,在油品中的耐溶解性也很好。添加量在1%左右時,石墨烯環氧復合涂料導電性穩定,附著力良好,可作為一種新型的導靜電重防腐涂料。

3
展望

隨著人類對海洋的不斷深入探索,海洋工程鋼結構建筑越來越多,但其同時也面臨著嚴酷的腐蝕環境。目前國際上新建大型鋼結構設備所用的重防腐涂料涂層的有效使用壽命一般平均要達到 20 年以上。海洋重防腐涂料的研究具有很強的實際意義,對國民經濟的發展有重要促進作用。大庭科技孜孜不倦,在科研的路上不曾停歇,隨著世界各國環保意識的日漸加強及納米技術的異軍突起,環境友好型和納米材料功能改進型重防腐涂料涂料成為我們涂料發展的主導方向。



上一條:海洋涂料市場規模及其技術趨勢 下一條:環氧樹脂涂料在海洋防腐領域的現狀及進展
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