大型鋼結(jié)構(gòu)防腐中的納米技術(shù)

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大型鋼結(jié)構(gòu)是大量基礎設施的重要組成部分。橋梁、電站、輸油輸水管道、油氣儲罐、大型生產(chǎn)裝置、船舶、海工結(jié)構(gòu)、塔架及許多大型建筑物均大量采用鋼結(jié)構(gòu)。雖然所用的碳鋼與一些低合金鋼具有很好的力學性能與合理的價格，但它們存在著嚴重的電化學腐蝕問題。由于具有用量大、壽命要求長的特點，所以需要的防腐手段也具有特殊性。在各種腐蝕控制方法中，主要選用不同表面處理與施加防腐涂層的方法來對大型鋼結(jié)構(gòu)進行防護。到目前為止，應該說大多情況下防護效果還遠不理想，主要是存在由于化學與力學失效引起的覆蓋層壽命問題。因此開發(fā)高性能、長壽命、并在新形勢下滿足環(huán)保要求的表面改性技術(shù)與防腐產(chǎn)品，是一項重要的任務。而解決這樣的問題，離不開高技術(shù)與新思路和采用。
    目前，納米技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)重防腐產(chǎn)品中的應用還處于起步階段。國內(nèi)外均少見型產(chǎn)品應用的報導。但普遍認為，納米技術(shù)的采用無疑將會給該領(lǐng)域帶來世大的收獲。原因很簡單，因為防護所涉及的表面材料與自防護腐蝕產(chǎn)物的性質(zhì)主要由其微觀結(jié)構(gòu)所決定，這里涉及界面問題，電化學歷程的改變，傳輸行為、表層材料強度與塑性的變化等。例如，某些各類的納米粒子引入有機涂層可以增加其抗老公性，無機涂層的塑性可由于其結(jié)構(gòu)的納米化而改善。
    大型鋼結(jié)構(gòu)防腐中的主要技術(shù)及特點
    由于腐蝕體系的復雜多樣化，導致腐蝕控制手段的多樣化。在工業(yè)中使用最多的防腐技術(shù)大致可分為如下幾點：（1）合理選材：根據(jù)介質(zhì)與使用條件，選擇合適的材料；（2）陰極保護：利用電化原理，對構(gòu)件進行外加陰極極化以減緩腐蝕；（3）陽極保護：對可鈍化體系采用外加陽極電流使構(gòu)件表面致鈍以減緩腐蝕；(4)介質(zhì)處理：去除促進腐蝕的有害成分，調(diào)節(jié)PH值等；(5)添加緩蝕劑：向介質(zhì)中添加少量減緩腐蝕的物質(zhì)；（6）金屬表面覆蓋層：噴、襯、滲、鍍、涂上一層耐蝕性金屬或非金屬（有機或無機）物質(zhì)以及將金屬進行磷化、氧化處理，以降低構(gòu)件腐蝕速度；（7）防腐設計與改進生產(chǎn)工藝流程。
    對于一個具體的腐蝕體系，應據(jù)腐蝕原因、效果、施工難易與經(jīng)濟效益等進行綜合考慮。對大型鋼結(jié)構(gòu)而言，可以采用的方案也是多種多樣的。但針對它們的使用特點，主要采用選材控制和表面覆蓋進行防護，有時也常與陰極保護聯(lián)合使用。以防腐涂料為例，我國每年的用量可能已達到20萬噸左右，約占涂料總量的10%，而且它們品種繁多，功能各異。
    大型鋼結(jié)構(gòu)防腐中的納米技術(shù)
    納米技術(shù)在各種表面改性層與不同用途的涂料中具有廣泛的應用前景。這里只針對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕控制的特殊要求進行討論。
    （1）無機覆蓋層主體結(jié)構(gòu)納米化：在無機防腐涂層或表面處理層的情況下，使用某些特殊方法，可以使覆蓋層呈現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)，從而帶來一系列膜層性質(zhì)的變化。通常，覆蓋層在化學性質(zhì)上相對鋼基體總是惰性的。如要達到好的防蝕效果與長久不失效，就要求它與基體的結(jié)合強度要高，覆蓋完整，孔隙率與缺陷少，均勻性好，耐沖擊，具有高的強度與一定的韌性。其中韌性與一定的形變能力是重要的。許多情況下無機涂層失效的主要原因就是它的韌性差。當然還有結(jié)合力的總量。納米結(jié)構(gòu)無疑會使無機覆蓋層的與強度得到改善，從而提高它的抗失效能力。由于形變協(xié)調(diào)性增加，還會提高它與鋼表面的結(jié)合強度。還應注意到，一般涂層防腐靠的是它對介質(zhì)的傳輸減緩和界面鍵合的作用，有時通過合適組分加入，也可有鈍化和陰極保護作用。對這些作用，層結(jié)納米化也不可避免地帶來有益或無益的影響。
    （2）傳統(tǒng)有機涂料的性能的提升：通過向涂料中添加某些各類的納米粒子形成的納米復合涂料，可以導致性能的大幅度提高。如TiO2、SiO2、ZnO、Fe2O3等納米粒子通過對紫外線的散射作用，可以地提高有機涂料的耐老化性。此外還可用以改善某些各類涂料的流變性、附著力、膜的機械強度、硬度、光潔度、耐光性和耐候性等。納米粒子在這些方面的作用，對于鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料與其它用途的涂料來說在本質(zhì)上并無差別。這方面的工作相對較多，但距離在重防腐中得到有效應用還有一段路要走。
    （3）鋼結(jié)構(gòu)自防護腐蝕產(chǎn)物形態(tài)控制：耐候鋼相對于碳鋼有較好的耐大氣腐蝕性能，一般不需要表面處理就具有抗蝕性，因而得到廣泛應用。原因在于其表面形成的腐蝕產(chǎn)物阻礙了腐蝕介質(zhì)的進入，從而保護了基體。但它也存在腐蝕失效問題。近年研究發(fā)現(xiàn)，通過表面懺悔處理，可以得到更加致密的腐蝕產(chǎn)物層，使防蝕性能得到大幅度提高。研究表明，所得產(chǎn)物具有納米結(jié)構(gòu)。這里的關(guān)鍵是如何能夠有效地人為控制腐蝕產(chǎn)物的形態(tài)。