纳米材料在防腐蚀涂料中的应用

文/金少波

大厂金隅涂料有限责任公司

摘要：纳米技术的发展与应用为许多行业领域提供了创新的契机，在涂料工业中，纳米材料所具有的优越性使其展现出了巨大的应用价值。

关键词：纳米材料；技术问题；研究进展；防腐蚀涂料

0 前言

涂料涂装防腐蚀技术是应用十分广泛的一种技术方法，在纳米技术的研究和应用逐渐兴起之后，将纳米材料引人到防腐蚀涂料领域得到了越来越多的关注。

1 国内外纳米防腐蚀涂料的研究概况

1.1 国外纳米防腐蚀涂料的研究

就目前来看，纳米材料的主要应用形式有两种，其一，将其应用到传统材料中以提升材料的整体性能；其二，采用成型工艺将纳米材料制作成固体材料。相对而言，第一种形式最为常见。国外企业和研究机构针对纳米防腐蚀涂料的研究成果如下：

1)Nanophase Technoloes公司^[1]将透明清漆和NanoTek氧化铝产品^[2]混合后获得了耐磨性极强的新型透明涂料。2)将纳米TiO₂和铝粉颜料或是云母珠光颜料进行混合并加入到涂料中，这种混合涂料常用作豪华轿车面漆，可以显著的提升金属颜色的丰满度。此外，纳米ZnO在紫外光照射下会发生分解作用产生有机物质，具有抗菌和除臭的效果。3)将纳米超细粉末，如镍铬粉、铁氧体粉末等配制具有隐身特性的材料可用于军事领域，如飞机、军舰、潜艇等。其原理是纳米超细粉末对雷达波和红外线均具有超强的吸收作用。4)日本松下公司^[3]利用纳米氧化物粒子所具有的半导体特性研制出了具有良好静电屏蔽效果的复合涂料。

1.2 国内关于纳米防腐蚀涂料的研究

近些年来，我国很多研究人员都将精力投入到纳米颗粒改善涂料性能的研究方面，研究内容涉及到了优化原理、添加比例等。如中科院金属研究所^[4]针对因海洋环境而产生的腐蚀问题，研究了纳米改性环氧煤焦沥青涂层，综合应用研磨和添加表面改性剂的方法，在环氧煤焦沥青中添加不同比例的纳米钛粉，结果显示纳米钛粉含量为10%的情况下，涂层的防护性能最优。

此外，华南理工大学^[5]基于不锈钢和低碳钢表面制备纳米TiO₂涂层的基础上，添加SnO₂实现了复合涂层的制备，这种涂层可以对低碳钢的光阴极提供良好的保护，防止腐蚀现象的发生。北京化工大学^[6]采用机械搅拌的方法将纳米TiO₂添加到环氧富锌涂料中获得了改性环氧富锌涂料，将其涂在耐候钢的表面可以减小腐蚀电流。浙江大学研究出了一种纳米涂料的表面原位纳米改性制备方法，采用此方法可以制备出具有优良性能的纳米涂料。

2 纳米材料在防腐蚀涂料中的应用分析

纳米材料是一种具有表面效应、量子尺寸效应、光学效应等多种效应的特殊结构体，将其应用于防腐蚀材料中可以大幅度的强化材料的强度、韧性以及收缩性，使其获得更高的功能。目前，防腐蚀涂料中比较常用的纳米材料包括以下几种。

2.1 石墨烯材料在防腐蚀涂料的应用

石墨烯属于二维纳米材料的一种，表现出表面疏水、量子霍尔效应、大比表面积等多种特征，且具有优异的电化学性质以及稳定的化学性质。其独特的片层共轭结构能够形成多层叠加的致密的隔绝层。在防腐蚀涂料中，石墨烯的添加可以实现涂层微观孔结构的改善，使涂层能够有效阻隔水、氧气以及腐蚀离子的渗透。此外，利用改性体以共价键和非共价键的修饰方式对石墨烯及其衍生物进行处理后，可以使其与水和聚合物具备良好的相容性，这样一来就可以获得致密性更高的涂层。如基于聚丙烯酸钠进行石墨烯水分散体的制备，根据研究结果显示，当石墨烯的掺量为0.5%时，可以将腐蚀密度控制到最低。受到改性体结构、添加量等因素的影响，经过改性处理之后的石墨烯及其衍生物在防腐蚀涂料中的均匀稳定分散强度存在一定的差异性，相应的对涂料防腐蚀性能的强化程度也有所区别。

2.2 纳米无机氧化物在防腐蚀涂料的应用

纳米无机氧化物具有结构稳定的特点，由于来源广泛，因此制造成本相对偏低，将其均匀分散于防腐蚀涂料中可以有效减弱涂层对腐蚀离子的渗透性，实现涂层机械性能和防腐蚀性能的提高。目前防腐蚀涂料中应用较多的纳米无机氧化物主要有纳米TiO₂以及纳米ZnO两种。

纳米TiO₂是一种结构多样的半导体材料，光学性能、电学性能以及化学性能都十分优越，将其应用于防腐蚀涂料中，可以强化涂层的隔热性、耐候性以及防腐蚀性。结构上存在的差异性会影响到纳米TiO₂粒子对涂层防腐蚀性能的提高程度，相较而言，介孔结构的性能提升效果最佳。如wang等^[7]对模板介孔型纳米TiO₂和介孔型纳米TiO₂以及纳米TiO₂三种不同结构的TiO₂对环氧涂料防腐蚀性能的提升效果进行了对比研究，根据结果显示，介孔型纳米TiO₂改性的环氧涂层所具有的防腐蚀性能更强。

纳米ZnO是一种具有款能带间隙、高激发结合能以及低光催化活性的纳米材料，具有提高防腐蚀涂料涂层的稳定性和防腐蚀性能的效果。在纳米Zn0粒子应用的过程中，其表面性质决定了其能否稳定的分散到防腐蚀涂料中。对此，可以采用改性物对纳米ZnO的表面进行改性，将其表面效应和小尺寸效应充分发挥出来，使其与涂料之间形成更加紧密相容的结构，以延缓腐蚀介质对涂层的渗透。christopher^[8]将磺化木质素改性以及海藻酸钠改性的纳米ZnO对聚氨酯涂料防腐性能的提升效果进行了对比分析，根据研究结果来看，当二者的掺量为0.3％时，可以获得最理想的防腐蚀性能提升效果。

除了上述两种材料之外，包括CeO₂、AlO₃，以及SiO₂在内很多纳米材料对防腐蚀性能涂料的性能也具有一定的提升效果，尤其是在对腐蚀电解质的阻碍效应方面，可以为基材提供良好的屏蔽保护效果。如Rahman等^[9]对纳米Fe₃O₄。应用于水性环氧丙烯酸涂料的效果进行了研究，结果显示，当该材料的掺量为2.5%的情况下，涂料涂层的抗冲击性、弯曲性等可以获得最理想的改进效果。此外，Dhoke和xiao等^[9]研究得出了Fe₂O₃，对防腐蚀涂料的性能影响效果，该纳米材料可显著降低涂层的孔隙率，强化涂层的机械能和光学性能。

2.3 纳米导电聚合物在防腐蚀涂料的应用

纳米导电聚合物可以在金属表面形成一层致密的钝化氧化膜，这层膜可以改善涂层和金属界面的理化性质，强化涂层的附着力，同时将水和氧气阻隔在外。而且纳米导电聚合物的氧化还原特性还能够不断对这层氧化膜进行修补，使其强化效果可以持久的保持下去。因此将纳米导电聚合物应用于防腐蚀涂料中，可以对底材提供良好的保护。如Bagheradeh^[10]将纳米PANI和微米PANI对环氧涂料防腐蚀性能的影响效果进行了对比分析，得知当纳米PANI掺量为0.01%的情况下，即可在金属表面形成极其稳定的致密氧化层，延缓金属的腐蚀速率。相对而言，微米PANI对水性涂料防腐蚀性能的提升效果则十分有限。出现这种现象的原因在于纳米级导电聚合物在金属表面形成的氧化膜拥有更强的致密性。此外，通过改性体对纳米导电聚合物粒子表面进行改性处理，可以有效改善其于基体之间的相容性，使其在涂料中的分散变得更加稳定，这样可以实现涂料防腐蚀性能的提升。

2.4 纳米黏土在防腐蚀涂料的应用

纳米黏土具有良好的力学、电化学以及热学性能，这使其在现代材料研究领域获得了广泛的关注。将其应用于防腐蚀涂料中，可以改善涂层的孔隙率，从而阻隔腐蚀介质对涂层的渗透。纳米黏土对水防腐蚀涂料性能的影响程度取决于其种类、结构及其在基体中的分散性等因素。在所有方法中，采用改性体对纳米黏土粒子表面进行改性处理，优化其分散性，使其与基料形成良好的相容性，这是利用纳米黏土提高涂料防腐蚀性能最常见的方案。

3 结语

综合以上内容来看，很多纳米材料对于涂料防腐蚀性能都有着一定的提升效果，其中的原理是纳米材料改善了涂料和基材表面的理化性质。但需注意的是，纳米材料实际应用于涂料中时，同样存在一定的技术问题有待解决，包括如何保障材料稳定分散等，需要更深入的研究。

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文章发表于《天津化工》 2020年5期