前 言

不銹鋼通常是指一組黑色合金，包括至少11%～12%(質量分數(shù))的鉻，主要性能是在相對溫和的氣候環(huán)境中能夠抗腐蝕或者防銹。所有不銹鋼共有的一個特點是有一層薄而極其致密的氧化鉻(Cr2O3)表層，在氧氣的存在下形成，并與基層金屬成為一體。它類似金屬鋁的氧化物表層，而和碳鋼(軟鋼)截然不同，碳鋼(軟鋼)所形成的氧化物及氫氧化物腐蝕產(chǎn)物與鋼材基層不是一體的。在大多數(shù)服務環(huán)境下，如果不銹鋼的品級選擇正確，其氧化層是惰性的，并以不同的方式進行自我保護，能夠減少沾污，防止表面腐蝕，使基層金屬免受腐蝕沖擊。因此在很多情形下，沒有必要對不銹鋼進行涂裝。 但是，為了外觀的需要或者在特定的環(huán)境中有助于提高耐久性，經(jīng)常有需要對不銹鋼進行涂裝。而且，不同制造商所生產(chǎn)的不銹鋼的配方是千差萬別的，對涂裝材料的選擇也應隨之改變，因此近年對不銹鋼涂料的研究呈現(xiàn)新的熱點。本文從不銹鋼涂裝的必要性著眼，探討了不銹鋼對涂料性能的要求和涂料體系的選擇，并對高性能不銹鋼涂層體系的發(fā)展進行展望。

1· 不銹鋼基材涂裝的必要性

不銹鋼由于出色的抗腐蝕和耐高低溫性能，通常用于化工、加工、電廠領域，尤其適用于貯罐、管線和反應裝置。而食品、醫(yī)藥業(yè)等某些直接接觸產(chǎn)品的器件設計還特別規(guī)定須用不銹鋼材質制造。不銹鋼是含有鉻金屬的一系列合金，其他金屬合鑄進去以提高防腐蝕、耐化學品、耐高低溫度的性能，產(chǎn)生多種的奇異鋼，像蒙耐合金、鉻鎳鐵合金等。工業(yè)上常用的標準不銹鋼是奧氏體不銹鋼，其中316級的不銹鋼最為常用。當正確選用不銹鋼材料時，其設備、構件將具有較長的服役壽命。但是，若使用環(huán)境或操作工藝不當，那么不銹鋼的腐蝕失效現(xiàn)象就會發(fā)生。由于焊接或者熱加工的原因，奧氏體不銹鋼存在所謂的阿基里斯之踵，就是存在潛在的敏感點。在特定的條件及環(huán)境下，這些敏感點就會被激活，形成金屬晶間的開裂。例如，當拉伸應力和氯離子存在，并有時伴有溫度升高時，就會形成氯化物應力腐蝕開裂(Cl SCC)，致使不銹鋼形成穿晶并發(fā)生高支化開裂。氟化物也會引起氯化物應力腐蝕開裂，這點鮮為人知。在特定的環(huán)境中，化學反應會降低不銹鋼的韌性，在應力的作用下儼然變成一種脆性材料。在海洋、某些化工廠、室外游泳池等環(huán)境中，到處充斥的氯化物對不銹鋼是極大的威脅。氯化物應力腐蝕開裂引起的防腐蝕失效通常不具有任何外部的特征和預兆。無論是在石油天然氣廠還是在石化工廠，不銹鋼通常作為管道、容器和加工設備的結構金屬，表層用隔熱材料及套式材料所覆蓋，如果環(huán)境中存在氯氣或者其他因素，就有可能發(fā)生氯化物應力腐蝕開裂。保溫層下腐蝕(CUI)經(jīng)常是管線和設備發(fā)生泄露的起因，是精煉和化工設備最主要的維修開支，為了檢修不得不停機，并成為最大的風險因素。在CUI狀況下，不銹鋼并沒有發(fā)生明顯的金屬損耗，也沒有產(chǎn)生顏色不同的腐蝕物質，因此沒有任何金屬性能失效的前兆。在沒有任何風險警示的時候，不銹鋼就開裂了。所導致的泄露、起火，甚至爆炸等事件時有發(fā)生。20世紀80年代發(fā)生在瑞典的一起案件，就是一個因不銹鋼支撐的室內游泳池混凝土屋頂完全坍塌，造成的嚴重事故。因此，不銹鋼涂裝通常就是用來降低氯化物應力腐蝕開裂的風險，提高耐久性及裝飾性能。

2 ·不銹鋼對涂料的性能要求

提高不銹鋼的抗腐蝕能力目前通常采用以下方法來進行：一是陽極氧化法，對其進行深度鈍化;二是金屬涂層法;三是添加緩蝕劑法。這些方法雖已取得工業(yè)化應用，但近年由于工藝復雜、費用較高、污染嚴重等缺點，已經(jīng)受到限制。開發(fā)新型、高效、環(huán)境友好的不銹鋼防護涂層已成為將不銹鋼推向高端應用領域的重要途徑和關鍵技術難題。 對不銹鋼的腐蝕主要是由氯化物引起的，在涂料的選擇上很重要的考慮因素就是使不銹鋼可以抵抗氯化物侵蝕，且對內在物品的質量沒有影響。因此，在進行配方設計時，要考慮以下因素： (1)涂層的致密性。由于不銹鋼特殊的腐蝕機理，涂層任何微小的缺陷都可能導致腐蝕物質的滲透，產(chǎn)生孔蝕，對不銹鋼基體造成極大的破壞，因此用于防護的涂層的致密性顯得尤其重要。 (2)無毒無污染。不銹鋼材料無論是用作反應裝置、容器還是傳輸管線等，都要求對內在的產(chǎn)品無影響，因此所選用的涂層應是無毒的。必須從涂料的各組成部分著眼，選擇無毒的涂料組分，包括基料樹脂、顏填料、溶劑和助劑等。 (3)附著力良好。由于不銹鋼是一種特殊的合金材料，液態(tài)涂料在其表面的浸潤性不好，必須選擇附著力優(yōu)良的涂層體系，或者采用獨特的涂料合成工藝，防止使用期間涂層的脫落。 (4)耐腐蝕性能優(yōu)良。除用于美觀裝飾的涂層以外，防腐蝕是對不銹鋼進行涂裝的出發(fā)點和基礎。因此所選用的涂層除了耐一般的酸、堿、鹽介質的腐蝕外，還要根據(jù)設備的使用環(huán)境和操作條件，選擇性能穩(wěn)定的涂層體系。 (5)涂料的施工性能和涂層的物理機械性能。選擇的不銹鋼涂層必須兼顧硬度和柔韌性，耐磨損性能優(yōu)良，具有良好的流平性能和適宜的施工使用期，最大限度地提高使用壽命，以對不銹鋼進行有效的防護。

3 ·不銹鋼用涂料體系的選擇

不銹鋼用防護涂層除已經(jīng)工業(yè)化的金屬涂層體系外，也有無機涂層和傳統(tǒng)聚合物涂層的開發(fā)應用，但無論是無機涂層還是單純的聚合物涂層，都有它們自身的缺點，導致應用的局限性。無機涂層材料的脆性使其容易產(chǎn)生開裂，并且單純無機材料的空隙率較高，致使純無機涂層的屏蔽阻隔性能下降，這些固有的缺點綜合起來，使其抗不銹鋼腐蝕的能力不盡如人意。同時，有機聚合物盡管可以彌補無機材料的缺點，但由于聚合物本身的耐候性問題，單純的聚合物作為不銹鋼涂層的抗腐蝕性能也不理想。而有機-無機復合涂層的制備則將聚合物組分和無機材料結合起來，充分發(fā)揮各類材料的優(yōu)勢和協(xié)同效應，獲得綜合性能優(yōu)異的不銹鋼防護涂層。

Q-fog 鹽霧腐蝕試驗箱用于涂層的耐磨腐蝕測試

3.1 有機硅涂料體系

有機硅因其獨特的化學結構而具有優(yōu)異的綜合性能，廣泛應用于各個工業(yè)領域，在涂料工業(yè)中亦占有越來越重要的地位。有機硅涂料是以有機硅聚合物或有機硅改性聚合物為主要成膜物質的涂料，其各類性能優(yōu)異，可以耐化學腐蝕、耐熱耐寒、耐潮濕、耐沾污、電絕緣性能優(yōu)良、耐電暈、耐輻射等。有大量的文獻對有機硅涂層對奧氏體不銹鋼的防護作用進行了研究，其中以添加無機的Ti粉和Al粉等為主。不銹鋼，如最常用的奧氏體不銹鋼含有少量的鐵(Fe)，在鹽和水蒸氣的綜合作用時，發(fā)生的腐蝕過程如式(1)～式(9)所示：

水蒸氣和固態(tài)鹽分如NaCl、Na2SO4或Na2SO4-NaCl的存在會促進上述反應的進行，因此會明顯加速不銹鋼材料的腐蝕進程。一些不銹鋼即使在中溫條件下，由于水蒸氣和鹽分的綜合作用，其腐蝕也很嚴重。 有機硅添加無機的Ti粉和Al粉，即使在高溫下也對不銹鋼具有很好的防護作用。這是因為，有機硅涂層中的部分有機成分在高溫下會發(fā)生分解而揮發(fā)，當CO、CH、CC和CSi都已經(jīng)斷裂時，由于其中的SiO鍵能遠遠大于其他的鍵能，最后全部轉化為SiO2，SiO2是即使在高溫下也很穩(wěn)定的物質。有機硅中所添加的Al粉對涂層的耐熱和防腐性能的提高具有很重要的作用。事實上，各文獻的試驗表明，試驗時不銹鋼表面只涂有機硅清漆時，在試驗的較早階段，涂層就會發(fā)生起泡剝落而失效。涂層中的Al粉在高溫下會發(fā)生氧化反應而形成Al2O3：4Al+3O2 =2Al2O3，這樣有機硅分解后形成的SiO2充當黏合劑的作用，把Al2O3黏附在不銹鋼的表面，形成了一種新的類似于無機物的牢固的涂層，起到保護作用。當奧氏體不銹鋼進行涂層保護時，由于有機聚合物涂料的屏蔽性能，氧氣、水蒸氣和鹽分并不與基體金屬直接接觸，因此上述腐蝕反應式中的(1)、(6)和(9)便不能順利進行，進而其他反應也受到抑制。腐蝕反應因此而得到有效控制。另外，金屬離子向外擴散也受涂層屏蔽，對不銹鋼起到了很好的防腐蝕作用。 Ti粉的作用和Al粉的作用相似，氧化而形成TiO2，借助于涂層中有機成分在高溫下分解而形成的SiO2，共同構成了新的涂層，對不銹鋼具有優(yōu)異的防護作用。

3.2 納米顆粒增強復合涂層

當材料的尺寸達到納米級水平時，其諸多性能會發(fā)生質的改變，具有尺寸效應、界面效應、量子效應、體積效應等，其物理機械性能也隨之改變。近年隨著人們對高性能涂料的需求增加，利用納米材料對傳統(tǒng)涂料進行改性的研究是涂料領域的熱點。最具代表性的納米粒子是SiO2和TiO2等，以此為填料開發(fā)高性能、低成本的新型涂料已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向，在金屬表面高性能防護涂料的制備中也發(fā)揮著重要的作用。將這些納米粒子用于涂料，能夠顯著提高傳統(tǒng)涂料的附著力、硬度、耐磨性能、抗劃傷性能和耐洗刷性能，增強其耐熱、耐化學品、耐老化、耐輻射等性能，將傳統(tǒng)工業(yè)涂料升級為高性能、高附加值的產(chǎn)品，應用于高端市場。 溶膠-凝膠(Sol-Gel)法常常作為有機-無機復合涂層的制備方法，而且大部分研究都采用浸涂技術。例如，Ono以四乙氧基硅烷為硅源在奧氏體不銹鋼(316L)表面制備了SiO2-PMMA復合涂層，這種涂層大幅度提升了不銹鋼材料的抗腐蝕性能，盡管厚度僅為亞微米級。利用溶膠-凝膠技術，在較低溫度下就能實現(xiàn)涂層的固化，但通過浸涂工藝所能達到的最大厚度不大于2 μm，其實際應用受到限制。將納米顆粒引入溶膠-凝膠技術中，則能夠在不增加其熱處理溫度的同時提高涂層的厚度和附著力，增加了應用空間。Cai利用TEOS和3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，通過共同水解的方法形成了含有不飽和雙鍵的SiO2，又引入MMA單體進行聚合，制備了SiO2-PMMA有機-無機復合不銹鋼防護涂層。該涂層對基材的附著力良好，涂膜均勻，結構致密，表面硬度和抗腐蝕性能俱佳。 利用納米顆粒制備不銹鋼涂料的關鍵問題是納米顆粒的活性大、表面能高、容易發(fā)生團聚等現(xiàn)象;并且表面是親水疏油的，在有機樹脂中較難分散。如果分散不良，就會在有機/無機界面形成空隙，腐蝕介質容易擴散至空隙而引起界面樹脂的降解、劣化，導致涂層防護性能下降，大大降低甚至消除了納米顆粒的實際應用效果。因此，制備易分散型無機納米顆粒，并對其進行包覆等改性是合成高性能有機-無機納米復合涂層的前提與基礎。

3.3 導電聚合物涂料

1985年Deberry發(fā)現(xiàn)在酸性介質中用電化學法合成的聚苯胺膜能使不銹鋼表面活性鈍化而防腐，這一特點引起了人們的關注，從此人們在腐蝕防護領域開始了導電聚合物膜層的應用研究，還相繼開發(fā)了聚苯胺衍生物、聚吡咯等導電聚合物防腐涂料。當前，用電化學聚合法制備聚苯胺(PANI)不銹鋼防護涂層已經(jīng)成為腐蝕防護領域的研究熱點，各高校及科研院所的研究進展屢見報道。與化學涂料涂裝法相比，電化學法合成導電聚合物膜歸納起來有如下優(yōu)點：其一，電化學法可使高聚物的聚合-摻雜-成膜過程一步完成，工藝流程短，簡便易行，成本低;其二，通過改變相關工藝參數(shù)和調整電解液的組成，可以方便地得到不同結構和性能的聚合物膜層，以適合不同用途的要求;其三，電化學法可使原料單體直接在基材(工件)上聚合成膜，克服了化學法成膜工藝復雜的問題。 一般觀點認為PANI涂層的防腐機理是：除了具有一般有機涂層屏蔽作用外，還能將基體金屬的腐蝕電位維持在鈍化區(qū)域，發(fā)揮更強的陽極保護作用。由于合成出的PANI結構和性能各不相同，研究表明PANI涂層對不銹鋼的保護還有其他機理，如緩釋作用，改變腐蝕反應電化學界面，調節(jié)氧的還原反應等。PANI涂層在缺陷(小孔或劃痕)處還有自修復的防護機理，在智能涂料的研究方向也引起普遍關注。除PANI外，還有部分研究認為應用PANI衍生物作為防護涂料能夠改善PANI的加工性能。這是因為PANI剛性主體結構中引入特殊的取代集團，如烷氧基、氮烷基、芳基和硫?；?，能夠降低π電子的離域作用。西南大學的張永志在堿性介質中將苯胺及其衍生物在不銹鋼上聚合成膜，取得了較好的不銹鋼保護效果。 聚吡咯(PPy)是另一種重要的導電聚合物材料，它也能夠用作制備金屬表面的防腐蝕涂料。近年來，PPy涂層正逐漸被用于不銹鋼的表面腐蝕防護。不銹鋼表面PPy涂層能夠使不銹鋼在硫酸和磷酸中的開路電位向正方向移動并將轉變?yōu)殁g態(tài)，大幅度降低不銹鋼的腐蝕速率。諸多學者探討了通過電化學方法在不銹鋼上合成了PPy膜，并探討了PPy膜對不銹鋼在NaC1等腐蝕介質中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)PPy膜對腐蝕有很好的抑制效果，PPy膜的隔離作用不是主要保護因素，而是通過催化作用使金屬表面形成致密的氧化物膜，降低腐蝕速度。