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(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。橋梁、電站、輸油輸水管道、油氣儲(chǔ)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(xué)性能與合理的價(jià)格，但它們存在著嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題。由于具有用量大、壽命要求長(zhǎng)的特點(diǎn)，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(lái)對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。到目前為止，應(yīng)該說(shuō)大多情況下防護(hù)效果還遠(yuǎn)不理想，主要是存在由于化學(xué)與力學(xué)失效引起的覆蓋層壽命問(wèn)題。因此開發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命、并在新形勢(shì)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(xiàng)重要的任務(wù)。而解決這樣的問(wèn)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(yīng)用還處于起步階段。國(guó)內(nèi)外均少見型產(chǎn)品應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。但普遍認(rèn)為，納米技術(shù)的采用無(wú)疑將會(huì)給該領(lǐng)域帶來(lái)世大的收獲。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)榉雷o(hù)所涉及的表面材料與自防護(hù)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(wèn)題，電化學(xué)歷程的改變，傳輸行為、表層材料強(qiáng)度與塑性的變化等。例如，某些各類的納米粒子引入有機(jī)涂層可以增加其抗老公性，無(wú)機(jī)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(diǎn)
    由于腐蝕體系的復(fù)雜多樣化，導(dǎo)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(diǎn)：（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(hù)：利用電化原理，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行外加陰極極化以減緩腐蝕；（3）陽(yáng)極保護(hù)：對(duì)可鈍化體系采用外加陽(yáng)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(jìn)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(jī)或無(wú)機(jī)）物質(zhì)以及將金屬進(jìn)行磷化、氧化處理，以降低構(gòu)件腐蝕速度；（7）防腐設(shè)計(jì)與改進(jìn)生產(chǎn)工藝流程。
    對(duì)于一個(gè)具體的腐蝕體系，應(yīng)據(jù)腐蝕原因、效果、施工難易與經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行綜合考慮。對(duì)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(duì)它們的使用特點(diǎn)，主要采用選材控制和表面覆蓋進(jìn)行防護(hù)，有時(shí)也常與陰極保護(hù)聯(lián)合使用。以防腐涂料為例，我國(guó)每年的用量可能已達(dá)到20萬(wàn)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(yīng)用前景。這里只針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕控制的特殊要求進(jìn)行討論。
    （1）無(wú)機(jī)覆蓋層主體結(jié)構(gòu)納米化：在無(wú)機(jī)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(lái)一系列膜層性質(zhì)的變化。通常，覆蓋層在化學(xué)性質(zhì)上相對(duì)鋼基體總是惰性的。如要達(dá)到好的防蝕效果與長(zhǎng)久不失效，就要求它與基體的結(jié)合強(qiáng)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(qiáng)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(wú)機(jī)涂層失效的主要原因就是它的韌性差。當(dāng)然還有結(jié)合力的總量。納米結(jié)構(gòu)無(wú)疑會(huì)使無(wú)機(jī)覆蓋層的與強(qiáng)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(huì)提高它與鋼表面的結(jié)合強(qiáng)度。還應(yīng)注意到，一般涂層防腐靠的是它對(duì)介質(zhì)的傳輸減緩和界面鍵合的作用，有時(shí)通過(guò)合適組分加入，也可有鈍化和陰極保護(hù)作用。對(duì)這些作用，層結(jié)納米化也不可避免地帶來(lái)有益或無(wú)益的影響。
    （2）傳統(tǒng)有機(jī)涂料的性能的提升：通過(guò)向涂料中添加某些各類的納米粒子形成的納米復(fù)合涂料，可以導(dǎo)致性能的大幅度提高。如TiO2、SiO2、ZnO、Fe2O3等納米粒子通過(guò)對(duì)紫外線的散射作用，可以地提高有機(jī)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(jī)械強(qiáng)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(duì)于鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料與其它用途的涂料來(lái)說(shuō)在本質(zhì)上并無(wú)差別。這方面的工作相對(duì)較多，但距離在重防腐中得到有效應(yīng)用還有一段路要走。
    （3）鋼結(jié)構(gòu)自防護(hù)腐蝕產(chǎn)物形態(tài)控制：耐候鋼相對(duì)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(yīng)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(jìn)入，從而保護(hù)了基體。但它也存在腐蝕失效問(wèn)題。近年研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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)。