金属腐蚀及防腐技术.docx

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金属腐蚀及防腐技术

金属腐蚀及防腐

内容

1．腐蚀的定义及其危害

2.工程中钢铁的腐蚀问题

3．国内外在防腐蚀涂料方面的研究现状及分析

4．防腐蚀涂料简介

5．防腐蚀涂料的用途

6.防腐蚀涂料的选择与施工

7．ZY-S高渗透性带锈防锈漆系列产品简介

8．ZY-D橡塑漆简介

9.目前在研项目

1．腐蚀的定义、危害及分类

腐蚀是指材料与它所处的环境介质之间发生作用而引起的变质和破坏。

根据机理,腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀。

腐蚀的危害：

目前全球每年因腐蚀造成的损失已高达7000亿美元，占GDP总值的2～4％，为地震、台风、水灾等自然灾害造成损失的6倍之多

我国2003年统计，腐蚀损失约占国民生产总值（GNP）的约6％，完成“九五”期间降低1个百分点挽回了700多亿人民币的损失。

钢铁因腐蚀而报废的数量约当年产量的25－30％造成重大事故，阻碍经济发展。

军事设备、舰艇、沿海空军飞机、二炮发射井架、两栖装甲车、沿海通讯装备。

化学腐蚀：

材料与环境介质发生直接的化学作用而引起的破坏。

氧化反应与还原反应同时发生。

腐蚀的机理：

电化学腐蚀:

电化学腐蚀是对金属材料而言,指金属与离子导电的介质发生电化学作用而产生的破坏。

特点:

氧化反应和还原反应为两个相对独立并同时进行的过程,即阴极过程和阳极过程。

物理腐蚀：

指材料由于单纯的物理作用所引起的破坏。

特点:

过程中既不发生化学作用,也不发生电化学作用。

工程中钢铁的腐蚀问题：

2．1钢铁的腐蚀环境分析

钢铁腐蚀主要指钢铁构件和混凝土的腐蚀,其中混凝土的腐蚀包括混凝土中

钢筋的腐蚀及混凝土材料本身的腐蚀。

钢铁设备所处的腐蚀环境是大气环境,或者是水环境。

大气环境和水环境都属于自然环境。

表面上看,自然环境的腐蚀问题不及工业环境腐蚀那么明显,但这类腐蚀情况十分复杂,影响因素很多,往往随时间的延长而加剧,最后导致材料失效。

对腐蚀来说,大气的污染程度是重要的因素。

2．2影响钢铁腐蚀的因素：

湿度：

湿度是决定大气腐蚀类型和速率的一个重要因素,一般来说,金属的临界湿度为50%～70%。

温度：

在其他条件相同的情况下,平均气温高的地区,大气腐蚀速率较大。

大气中SO2含量：

我国城市大气中SO2浓度2级标准含量为0.023%,3级标准为0.096%,碳钢在3级标准大气中腐蚀速率比2级标准大气中要快4倍。

2．3钢铁材料的腐蚀：

钢铁材料的腐蚀大多为电化学腐蚀。

2．4钢铁腐蚀典型案例分析：

广东某斜拉桥1988年12月建成,1995年5月,一根拉索突然断裂,自行坠落该斜拉桥拉索钢丝的性能符合标准要求。

拉索聚乙烯套管内的水泥浆体离析,浆体的水分及所含的FDN高效减水剂富集于拉索上段,对上段的浆体未能恰当处理且处于密闭状态,使得上段浆体长达6年仍未凝结,形成电化学腐蚀电池,并且在未凝结的浆体中有大量活性离子cl-和钢索拉应力的作用下,加速了腐蚀的过程,最终导致钢丝承载能力不足而断裂。

2．5钢铁的防护措施：

涂料涂装：

阴极保护：

喷涂金属涂层：

使用复合材料：

阴极保护（热镀锌）简介：

目前我国镀锌主要镀的是纯锌：

国外为了延长热镀锌防腐的寿命开发55%AL-Zn合金镀层、Zn-Ni合金镀层等。

热镀锌工艺流程：

酸洗：

热镀锌的优缺点：

热镀锌的优点:

生产成本低，镀层牢固致密。

缺点:

在恶劣环境中使用寿命相对较短，加工过程污染大，工艺复杂,施工条件要求高，镀层破坏后不可修复，金属腐蚀后无法再次镀锌

3．国内外在防腐蚀涂料方面的研究现状及分析：

1.国外研究及应用情况：

九十年代初，世界发达国家进行了“绿色革命”,以工业涂料为例.国外十分重视长效防腐涂料的发展，主要品种有厚浆型氯化橡胶、无机富锌漆、环氧沥青、乙烯基树脂、无溶剂环氧聚酰胺、无溶剂环氧砂浆和SPGuard涂料等。

2.国内研究及应用现状分析：

以石油工业、炼焦工业、有机合成化学工业等部门的产品为原料，品种越来越多，应用范围也不断扩大，涂料工业成为化学工业中一个重要的独立生产工业部门。

我国目前涂料产量约为200万吨以上，每年的需求量以3.4%的平均速度增长。

4．防腐蚀涂料简介：

1.防腐蚀涂料的组成：

防腐蚀种类虽然很多，但就其组成而言，大体上可分为三部分，即主要成膜物质、次要成膜物质和辅助成膜物质。

在金属表面涂上覆盖层是防止金属腐蚀最为普遍而重要的方法。

其最基本的作用是使用金属与外界隔离，以阻碍金属表面上微电池的作用。

基本要求是结构紧密，与底层有较强的附着力，均匀分布于金属表面上。

对于金属的腐蚀保护，现在最简便有效又大量使用的方法，就是采用涂料保护。

内应力的积聚，涂层在固化后期溶剂挥发，使用过程中进一步交联，小分子物浸出等因素，使涂层体积收缩而形成内应力，在反复的冷热，干湿循环中，由于涂层和基体胀缩不一致，使界面产生反复的相对位移也会形成破坏性应力。

内应力积聚至大于附着力，涂层便脱开。

如小于附着力而大于内聚力，涂层便会开裂。

内应力的形成与高聚物结构也有关系，低模量的以柔软涂层能通过分子构象变化消除内应力，这是颜料，填料与高聚物间的微观开裂面局部释放了应力。

涂层实则上是一种粘弹体，涂层的常规力学性能指标有硬度，柔韧性，耐冲击性，耐磨损性等，力学性能可以综合的反应在因外力而产生的变形大小，而力学性又与温度相关。

考虑涂层如何长期适应所承受的外力时，首先要考虑应力应变特性和玻璃化温度。

涂层的力学性能决定于所承受的机械应力与高聚物结构内部产生的应变分布状况间的关系涂层应力应变特性与高聚物种类。

颜料填料种类和浓度有关颜料填料浓度低于临界颜料体积浓度范围内，随着浓度的提高，涂膜的拉伸强度提高而延伸性下降，涂膜的拉伸强度和伸长率很能说明使用性能。

低的伸长率和高的拉伸强度说明涂膜硬而脆使用中不耐久低的伸长率和高的拉伸强度说明硬而韧，说明耐磨性好，高的拉伸率和低的拉伸强度说明涂膜柔软具有弹性，而两值均高则为强韧的弹性膜。

2.防腐蚀涂料的分类：

带锈涂料：

带锈涂料就是可直接涂覆在具有一定锈蚀的钢铁表面上，仍能起到缓蚀作用的一类防锈涂料，亦称锈面涂料、锈上涂料、不去锈涂料。

将它涂于有残锈的金属表面，能使铁锈稳定、钝化或转化，使活泼的铁锈变为无害的物质，以达到防锈和保护的双重作用。

分类：

转化型带锈涂料

稳定型带锈涂料

渗透型带锈涂料

3.转化型带锈涂料：

亦称反应性带锈涂料，涂料中含有能与铁锈起反应的物质，把铁锈转化为无害的、难溶的或具有一定保护作用的络合物与螯合物，生成的络合物与螯合物通过成膜物质的粘附作用固定在钢铁基本表面上。

转化型带锈底漆适用于锈蚀比较均匀并且不残留轧制氧化皮和片状厚锈的钢铁表面。

优点：

对铁锈的作用快，可在锈层较厚（一般在40-100um）的钢铁表面施工，需及时的涂上防锈底漆和面漆方能起到良好的保护作用。

缺点：

对锈层厚薄不均匀的钢铁表面转化液用量难以掌握，用量少时转化不完全；用量多时过量的磷酸会腐蚀金属本身并放出氢气，影响涂层对金属的粘附力。

其附着力一般要比稳定型和渗透型涂料低。

4.稳定型带锈涂料：

稳定型带锈涂料主要是依靠活性颜料，如铬酸锌、磷酸锌等使铁锈形成难溶的络合物和使金属钝化而达到稳定锈蚀的目的。

优点：

对待涂的钢铁表面条件要求较宽，适用面广。

缺点：

稳定型带锈涂料不含有机酸和无机酸及其它转化剂，对铁锈的作用小，使铁锈稳定的速度慢，只适合于在锈层较薄（一般在50um以下，在30um之内更好）的钢铁表面上应用。

5.渗透型带锈涂料：

表面除锈是金属设备涂装的重要环节。

钢铁表面经过处理除锈后很容易返锈，尤其是大型的设备工程，如船舶、桥梁、海上采油设施、重型设备等，由于受施工条件的限制，不能采用喷砂或喷丸等方法除锈，只能用手工或电动工具除锈，不但劳动强度大，生产效率低，施工费用高，锈尘严重危害人体健康，而且很难做到彻底除锈。

新型带锈防锈漆是一种可直接涂刷于残余锈蚀钢铁表面的新型涂料。

这种涂料能使残锈稳定钝化或转化，将活泼的铁锈转变成稳定无害的物质，从而达到保护基体的双重目的。

在全面分析目前带锈涂料的技术现状、品种及性能的基础上，查阅了大量的国内外文献资料，研制出带锈防锈漆。

它渗透力强，在锈层转化前已包覆铁锈，使涂层牢固地附着于基体，同时，活性颜料在漆膜固化后缓慢发挥作用，使残锈稳定、钝化，是一种比较理想的带锈防锈漆。

钢铁表面在空气中极易受腐蚀介质（空气、水分等）作用生锈，并不断由低价的铁变为稳定的高价铁化合物，铁锈的生成和老化是持续进行的。

锈层的结构大致分为三层：

面层浮锈Fe2O3，中层粒锈FeO?

nH2O，底锈FeO?

nH2O[Fe（OH）]3。

上层的锈蚀较疏松，底层的锈蚀较紧密，整个锈层呈现出一个疏松多孔的含水层结构。

   锈层的特点与除锈后的钢铁表面性质截然不同，因此，带锈涂料除了必须具备一般防锈涂料的性能之外，还必须具备两个特殊条件：

一是带锈涂料对锈层必须有足够的渗透能力，即能充分浸润、渗透整个疏松的锈层，使锈层粘结成为连续的封闭性涂层，以封闭整个锈层和钢铁表面；二是带锈涂料对锈层必须有足够的反应性，能使锈层中的有害铁化合物经过钝化或转化，变成稳定的无害的填料。

ZY-S新型带锈防锈漆就是以渗透剂、去锈剂，转化剂、防锈剂、防腐剂及溶剂作为分散介质，根据正交法研制而成的。

它具有渗透、带锈和防锈作用，可直接涂于带有一定锈蚀的钢铁表面，漆中的渗透剂、去锈剂和转化剂将锈层转化为保护层，表面形成连续而致密的保护性漆膜，ZY-S带锈防锈漆的技术关键在于不用除锈，在有锈（100μm以下）或无锈的金属表明可直接涂刷两道即可达到带锈、防锈、装饰和底面合一、光泽度好的效果。

综合成本低、光泽度高、附着力好、抗冲击性强、耐盐水及耐酸碱等技术性能指标均高于红丹防锈漆和铁红防锈漆，完全解决了普通调合漆必须在金属表面清除锈斑后再刷铁红漆或其他防锈漆待底漆干后才能刷调合漆的繁琐施工程序及劳动强度大，工作效率低和干燥时间长等的弱点，同时也取代了传统的除锈用人工打磨、喷砂或酸洗的方法，提高了工件的防锈性能，降低了施工费用。

该漆在无锈金属表面亦可使用；可在-20℃条件下施工。

广泛适用于钢铁结构设备、设施的防护性和装饰性的涂装，如船舶、车辆、桥梁、各种机械设备，大型钢铁结构厂房、钢窗、管道、暖气片、机电设备、广告牌、护栏及木材混凝土表面的防护装饰。

6.富锌涂料：

被称为“冷镀锌”的富锌底漆问世以后，“锌保护”得到了更广泛的应用,富锌底漆已成为重防腐蚀材料的主要品种。

7.防腐蚀涂料的用途：

用于港口、船只、重型机械、石油开采及钻井设备、铁路、公路的配套设施（护栏、标牌）、桥梁、煤气柜、集装箱等钢结构

8．防腐蚀涂料的选择与施工

表面处理质量与涂料的适应性比较

除锈方法

喷砂除锈

动力除锈

手工除锈

除锈等级

Sa3

Sa2.5

Sa2

St3

St2

红丹酚醛（醇酸）底漆

●

●

●

●

○－Δ

环氧富锌底漆

●

●

○

○－Δ

×

水性无机富锌底漆

●

○

Δ

×

×

聚氨酯盖板底漆

●

●

○

×

×

ZY-S

●

●

●

●

●

ZY-D

●

●

●

●

●

注：

●最佳○尚好Δ勉强×不适用

9．1ZY－D橡塑漆防腐蚀原理

采用特殊的成膜物，能渗入锈层底部将锈层内部的空气及水分排出，合成颜料在干膜中的重量百分数高达50%~60%。

这样高含量的颜料不仅能起到良好的阴极保护作用，而且具有极好的屏蔽作用，渗入物还将疏松多孔锈层粘接成为连续的钢铁封闭涂层，杜绝了空气及水再渗入，同时将锈层中活泼有害的铁化物钝化成稳定无害的填料，形成封闭阻隔的金属保护层，抑制了锈蚀产生环境，故金属不再生锈。

9．2ZY－D橡塑漆防老化原理：

以苯乙烯为代表，说明光氧化降解的过程：

苯乙烯的光氧化反应

加入助抗氧剂：

助抗氧剂即过氧化氢的分解剂，老化过程中生成的过氧化氢物可用含硫或含磷的化合物与之反应使形成稳定的羟基化合物，使反应中止。

我们尝试使用了硫醚、亚磷酸酯等，防老化效果明显。

硫醚化合物的作用原理：

含磷化合物的作用原理：

加入光稳定剂：

光稳定剂由于稳定机理不同而分为四种类型：

光屏蔽剂、紫外吸收剂、猝灭剂以及受阻胺光稳定剂。

9.3主要组分及漆料：

把松弛了的铁锈物理性的包裹起来，使锈和外界隔绝，并使它粘附在金属机体表面。

带有螯合基团的树脂和被涂金属及铁锈产生螯合型的键合反应，故能获得最有效的耐久的缓蚀效果。

目前达到使用价值阶段并投入生产的品种主要是槚如树脂。

槚如壳液主要含有约90%的槚如酸，槚如酸受热脱去二氧化碳成为槚如酚，尚有10%的强心酚，

脱二氧化碳的反应和强心酚的结构式如下：

由槚如酚与水杨酸、甲醛生成缩合树脂，这种树脂可和二价、三价铁形成高分子的螯合物。

防锈颜料多用无机颜料。

在新开发的品种方面，有采用碱金属或碱土金属的铁酸盐（通式为MeFeO4，Me为Ca、Sr、Zn、Ba等）代替铁红颜料，铁酸盐具有强还原性，从而将活泼的铁锈还原成稳定的磁铁结构。

这种防锈颜料比铁红颜料节约了金属铅，且没有毒性。

ZY-D橡塑漆的特点：

1、耐温性.热稳定性好。

2、耐化学品性：

漆膜耐水、有机溶剂以及碱液，仅在高温下能微溶于强酸溶液。

它与绝大多数的化合物都不反应。

3、屏蔽效应：

当加入涂料中的合成颜料达到一定量时，象薄层状的薄片粒子定向排列重叠，其最薄剖面与涂装的底材平行。

这些片状粒子通过粒子重叠排列形成屏蔽层或屏蔽效果，使涂层更致密，阻止了水、潮气、氧及其它污染物浸入涂层-底材界面，同时对涂膜起增强作用。

这是由于颜料的高纵横比，这种粒子的长度与厚度之比要比其它传统的无定形颜料高。

腐蚀物接触涂层表面，通过由片状粒子形成的层状结构的通道渗入涂料中。

由合成颜料的涂层提供的路径要比其它含球形或颗粒状的涂层更长，使后者进入涂层底材界面更容易从而引发腐蚀过程。

4、紫外线保护作用：

合成颜料片状粒子是一种强的紫外线吸收剂，具有很好的耐候性，当含有颜料的保护性涂层曝露于太阳光下时，粒子位于上层表面，强烈吸收300～100nm的光线，从而有效地防止其下面的有机分子（基料）受光化学攻击，结果，介质的降解如粉化、黄变等现象可以避免，保持原有外观。

相反，含有球形或其它颗粒状粒子颜料的保护涂料易使紫外线通过并进攻有机基料表面，引起腐蚀及其它涂膜的降解现象。

5、高性能：

某些环境下可替代锌粉漆。

由于产品独特的物理和化学性能能形成一个很好的屏蔽结构，代替锌粉漆成为可能。

在保持涂膜卓越的耐腐蚀性的同时，它能给研发人员一个真正减少环境污染的机会，同时还不像其它一些环境友好型涂料降低了产品的防腐性。

6、附着力好：

试验证明涂层在腐蚀试验前都有很好的附着力（0级）。

而高成本的锌粉漆涂层在经过两种腐蚀试验1512h后，附着力明显下降（2级）。

小结

金属腐蚀已引起各国政府和研究机构的高度重视，各国对金属防腐的投入力度逐年增大，传统防腐方法存在各种弱点，无法满足金属结构在复杂环境下长期防腐的要求

北京工业大学研制开发的ZY系列带锈防锈涂料开创了金属防腐的新理念，该涂料施工方便、能适应各种施工环境，长期防腐效果较好。

9.目前在研项目：

水性带锈防锈漆

湿附着力促进剂

北京工业大学

环境与能源工程学院应用化学系，

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