[科普中国]-腐蚀阻滞剂

腐蚀阻滞剂的概述

腐蚀阻滞剂是涂在金属等物质的表面的聚合物，可阻挡氧气、化学试剂等对金属等材料的腐蚀。腐蚀阻滞剂最初由美国国家航空和航天局NASA和德国化学公司在试验中发现，用聚合苯胺——一种基础结构式为(C6H3NHO)n的聚合物,比用传统方式防锈效果更好。这种聚合物可用于航天飞机发射台钢结构的表面,可使NASA每年节省25万美元。

这种聚合物可用于航天飞机发射台钢结构的表面。目前发射台在每次发射后必须重新油漆,以防止因锈蚀蔓延而造成发射台结构的破坏。位于佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪宇航中心的钢结构的发射台,此前是用含有环氧层和大约85%的锌作底漆进行保护的。因为锌更活泼,比钢更易氧化,但是一旦锌全部氧化,钢仍然会生锈。此外,锌无法保护没有被环氧遮盖的已剥落的部分。

尽管涂层能保护钢免遭在宇航中心含有盐份的湿空气的侵蚀,但是火箭起飞时所产生的浓密的烟气具有很强的酸性,它能产生盐酸腐蚀涂层。这样,锌就会被溶解并被冲掉。因此,每次航天飞机发射后,整个发射台必须清扫、除锈,然后用锌作底剂再重新涂抹。这就意味着每次发射后要对9300平方米面积的发射台进行处理。在发射中心有两个发射台,平均每年每台发射4次,所以除锈的费用相当昂贵。

NASA的洛斯阿拉莫斯国家实验室和德国汉堡的齐佩林·凯斯勒的科学家们的工作都表明,掺入氯化氢的聚苯胺涂层能防锈。在洛斯阿拉莫斯国家实验室里涂上聚合物的低碳钢的样件能在稀盐酸中存在近25周而毫无锈迹。与此相对照的是,末涂聚合物的样件在近4周后就生锈了。德国研究也表明,聚苯胺涂层比锌涂料生锈程度小1。

腐蚀阻滞剂的原理齐佩林·凯斯勒的霍尔格·梅尔克尔认为,聚合物的存在迫使铁和钢与之接触,而氧化成薄薄一层均匀的氧化铁,因为它没有水合,所以起到防锈的作用。还怀疑(虽然他没有证明)聚合物能使锈重新转变为它的未水合形式。但当在聚合物与铁的界面处观察到氧化铁层时,梅尔克没有肯定聚合物是如何引起氧化铁层的形成的。相反,在卡纳维拉尔角的肯尼迪宇航中心负责故障分折和物理实验的科尔曼·布鲁安则认为,聚苯胺正如锌一样,是利用氧化作用阻止对金属的氧化扩散,来保护金属的。布鲁安认为,利用氯化氢作掺杂剂意味着航天飞机腾空时有助于涂层对烟气发挥防护作用。这样,发射台就可以隔3-4年才重新油漆。

聚苯胺防腐蚀涂层的制备方法目前所采用的聚苯胺型防腐涂层的方法主要有以下三种:

电化学聚合通过电化学聚合反应直接在金属电极表面沉积的聚苯胺涂层,主要有恒电位法、恒电流法、动电位扫描法和脉冲极化法。一般都是苯胺在酸性溶液中,在阳极上进行聚合,由于电极材料、电极电位、电解质溶液的pH值及其种类对苯胺的聚合都有一定的影响,所以目前这种方法制备聚苯胺防腐涂层所采用的反应条件还不统一。例如M.C.Bermard等人研究了用恒电位法,于不同的酸性条件下的苯胺溶液中在铸铁电极表面生成的聚苯胺膜对基体表面钝化作用的影响。CamaletJL等人也对草酸条件下恒电位聚合的聚苯胺对铸铁的防腐作用作了研究。但这种方法难以用于较大的金属部件,因而应用是有限的。

共溶通过聚苯胺与传统的聚合物的溶剂形成共溶物进行涂敷,待溶剂挥发后形成涂层。这种方法形成的聚苯胺涂层对金属同样具有钝化作用的防腐效果,只是附着力比较差。但这种方法仍存在不足,主要是:聚苯胺在普通的有机溶液剂中溶解率极低,甚至不溶,在其它高沸点溶剂如N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,虽有一定的溶解率,但实用性有限,这些溶剂的沸点均比较高,对涂层质量有不良影响,而且这些溶剂大多比较昂贵,毒性较大,应用受到限制。

共混与常规涂料成膜物质(如环氧树脂、聚丙烯酸树脂等)混合使用进行涂敷,这种方法是目前研究聚苯胺防腐性能和机理应用最多的方法,并且大量研究表明,聚苯胺与树脂共混制备的防腐涂料不但具有阳极保护作用而且附着力和对水的屏蔽作用都优于前两种方法。笔者认为第三种方法在研制、生产和应用方面都优于前两者,具有广泛的应用前景2。

聚苯胺防腐蚀涂料的特性近十年来,国内外科研人员对聚苯胺型防腐涂料的防腐蚀性能的研究已做了大量的工作。通过如前所述的不同涂敷方式和分析测试方法(例如,ASTM中对涂料的检测标准方法;电化学测试方法测量开路电位、腐蚀电位、腐蚀电流和极化阻抗等;XPS和SEM等方法分析金属表面层的结构和化学成份)研究了聚苯胺涂料对金属(主要是铁基金属)的防腐蚀效果和防腐蚀机理,大量研究结果证明了聚苯胺类防腐涂料与常规防腐涂料相比,最显著的特点就是它对金属基体表面具有阳极钝化的保护作用,并且它的屏蔽作用也异于常规防腐涂料。目前,国内外对聚苯胺涂料防腐蚀效果和防腐蚀机理的研究主要集中在以下三个方面:屏蔽作用、缓蚀作用和阳极保护作用,其中阳极保护作用机理作为聚苯胺防腐涂料的主要特点被研究得最多。