王楊松,王英丹,于帥,郭萬(wàn)元,孫洪濤,徐秀志
金屬防腐及其防腐蝕措施的研究
王楊松,王英丹,于帥,郭萬(wàn)元,孫洪濤,徐秀志
(沈陽(yáng)順風(fēng)新材料有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110326)
隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng),金屬在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛。但是,金屬自身易腐蝕性能使我們面臨一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn),金屬的腐蝕破壞了金屬原有的形貌及功能,導(dǎo)致金屬的應(yīng)用受到一定的限制,對(duì)人們的生活產(chǎn)生一些影響,嚴(yán)重的情況甚至可能引起環(huán)境的污染以及安全方面的事故。本文對(duì)金屬腐蝕的原因進(jìn)行了分析,并對(duì)相應(yīng)的防腐蝕措施進(jìn)行了討論。
金屬; 防腐; 防腐蝕措施
金屬是生活中必不可少的一種材料,其優(yōu)異的性能使得它被廣泛應(yīng)用,大到建筑材料,小到家用鍋碗瓢盆。金屬材料雖然是目前應(yīng)用的必要材料,但是資源上卻不盡人意,金屬資源的匱乏使得我們?cè)趹?yīng)用金屬材料的過(guò)程中應(yīng)盡可能地保護(hù)金屬。應(yīng)用極其廣泛的金屬材料卻面臨著一個(gè)巨大的問(wèn)題-腐蝕。在金屬的應(yīng)用中,腐蝕是不可避免的,金屬的腐蝕破壞了金屬的表面形貌的同時(shí),又影響了金屬的性能,被腐蝕的金屬在應(yīng)用的過(guò)程中便會(huì)具有一定的安全隱患,腐蝕是金屬材料及其設(shè)備損壞和失效的重要原因之一,金屬的腐蝕遍及國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域,給人們帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
金屬材料是由元素周期表中金屬元素組成,通常我們使用的純金屬、合金以及具有金屬元素的材料被我們稱之為金屬材料。金屬的認(rèn)知來(lái)源于天空降下的隕石,從此鐵被人們發(fā)現(xiàn)了,從當(dāng)初的認(rèn)知到后來(lái)的使用,甚至到現(xiàn)如今對(duì)金屬的保護(hù)。金屬的使用愈發(fā)廣泛,金屬材料在生活中扮演者重要的角色。在如今面臨環(huán)保問(wèn)題的中國(guó),金屬作為一種單一元素的物質(zhì)或者幾種元素的物質(zhì)深受人們的喜歡,不含污染元素的金屬被研究人員們深入研究[1]。在中國(guó)目前面臨的環(huán)境問(wèn)題的前提下,塑料、橡膠、木質(zhì)等大部分材料應(yīng)該被減少,從而減少環(huán)境的污染。所以我們需要發(fā)展金屬材料,用金屬材料替代其他材料。在建筑材料中,金屬材料的作用是不可被替代的,現(xiàn)如今,我們用金屬材料代替單一的混凝土結(jié)構(gòu)和磚堆砌結(jié)構(gòu),既實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度,又減少了木材、模板和水等資源的利用,又由于使用了輕質(zhì)高強(qiáng)的金屬材料,使其在穩(wěn)定性和抗震性方面的性能優(yōu)異。用金屬材料,在減少多余資源利用,降低污染物的產(chǎn)生的同時(shí),又能達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外用金屬打造的建筑很多,目前許多地標(biāo)式建筑都是由金屬材料組成的,例如紐約的帝國(guó)大廈、法國(guó)的埃菲爾鐵塔、日本東京的東京塔以及紐約世貿(mào)中信大廈等。這些使用金屬材料而著名的金屬建筑,目前已成為各國(guó)甚至世界上的地標(biāo)性建筑。在國(guó)內(nèi),首都的鳥(niǎo)巢、國(guó)際機(jī)場(chǎng)、博物館、亞運(yùn)會(huì)體育館、上海的楊浦大橋等,均為國(guó)內(nèi)著名的金屬建筑的代表作。但是我國(guó)的金屬建筑方面,較之其他發(fā)達(dá)國(guó)家,仍處于落后的階段。所以提高我國(guó)金屬建筑也是我國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一大目標(biāo)。不但如此,我國(guó)金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)用也不廣泛,金屬結(jié)構(gòu)在住宅體系還未大范圍推廣,只利用在高層建筑和工業(yè)建筑兩方面。然而發(fā)達(dá)國(guó)家的金屬結(jié)構(gòu)的住宅面積占總住宅面積的40%以上,以上種種現(xiàn)象都足以說(shuō)明,在我國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)行業(yè)中,存在著很大的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間。隨著社會(huì)的發(fā)展、時(shí)代的進(jìn)步、人們生活水平的日益升高,金屬建筑將愈發(fā)普及,金屬應(yīng)用也將越廣泛。我國(guó) 2016 年鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到 808.4 百萬(wàn)噸,穩(wěn)居世界首位。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的再次增長(zhǎng)和發(fā)展,金屬材料由于現(xiàn)如今的建筑行業(yè)的需求也會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展,鋼鐵技術(shù)的發(fā)展必會(huì)迎來(lái)新的篇章,鋼鐵產(chǎn)量也將大幅度提升,金屬材料在我國(guó)將會(huì)迎來(lái)蓬勃發(fā)展。
然而金屬易受腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而遭到破壞,金屬腐蝕不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的損失,而且它還會(huì)帶來(lái)慘重的人員傷亡、環(huán)境污染等一系列巨大的危害。因此,對(duì)金屬進(jìn)行防腐蝕的防護(hù)具有重要的意義,所以現(xiàn)如今這已成為當(dāng)今材料、工程等學(xué)科研究的重大課題之一。
金屬腐蝕是指金屬在環(huán)境介質(zhì)的作用下,金屬表面由于化學(xué)反應(yīng)、物理溶解或者電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的表面甚至結(jié)構(gòu)的破壞,其本質(zhì)是金屬原子被氧化從而失去電子的過(guò)程。一般我們根據(jù)腐蝕機(jī)理不同進(jìn)而將金屬腐蝕分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕兩大類。電化學(xué)腐蝕:金屬表面與環(huán)境介質(zhì)中的離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而引起的腐蝕。化學(xué)腐蝕:金屬或者合金在于環(huán)境介質(zhì)的接觸中(比如O2、SO2、H2O、酸霧等)直接發(fā)生的引起金屬或合金表面甚至結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或者失效的化學(xué)反應(yīng)腐蝕。在這兩類金屬腐蝕中,電化學(xué)腐蝕占據(jù)大部分。腐蝕電池形成的主要原因:金屬表面與環(huán)境介質(zhì)接觸,空氣中的水分形成一層水膜吸附在金屬表面,進(jìn)而空氣中的其他雜質(zhì)例如CO2、SO2、NO2等物質(zhì)溶解在這層水膜中,進(jìn)而形成了電解質(zhì)溶劑。在金屬(以鐵為例)中,除了含有自身?yè)碛械蔫F元素之外,還含有類似碳等不如鐵活潑的雜質(zhì),這樣,鐵與雜質(zhì)構(gòu)成了腐蝕電池,鐵為陽(yáng)極,雜質(zhì)為陰極,陽(yáng)極上鐵失去電子變成亞鐵離子(反應(yīng)式1),陰極同時(shí)也會(huì)因電解質(zhì)溶液的不同發(fā)生得到電子的反應(yīng),一般分為兩類:在強(qiáng)酸性的溶液中進(jìn)行的析氫腐蝕(反應(yīng)式2),和在弱酸性或中性的溶液中進(jìn)行的吸氧腐蝕(反應(yīng)式3)。
陽(yáng)極: 2Fe→2Fe2++4e-(1)
陰極(強(qiáng)酸性):2H++2e-→H2(2)
陰極(中性):2H2O +O2+4e-→4OH-(3)
金屬是我們生活中常見(jiàn)的材料,金屬建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)器零件、地下管道等。在現(xiàn)如今使用金屬量愈發(fā)廣泛的中國(guó),金屬的腐蝕是我們目前需要克服的一個(gè)重大難題,金屬建筑結(jié)構(gòu)的腐蝕導(dǎo)致建筑坍塌,機(jī)器零件的損失導(dǎo)致機(jī)器的損壞,地下運(yùn)輸通道的腐蝕導(dǎo)致氣體及油液的泄露,所以說(shuō)金屬的保護(hù)是至關(guān)重要的。
金屬的應(yīng)用很廣泛,建筑、地下管道、機(jī)器等金屬的使用,金屬腐蝕的原因也大不相同。城市地下布設(shè)的管道是我們較常見(jiàn)的金屬,我們可以利用金屬管道運(yùn)輸氣體及油液等物質(zhì),金屬管道的腐蝕將會(huì)引起管道內(nèi)物質(zhì)的泄露,這將會(huì)引起不必要的資源浪費(fèi),甚至污染環(huán)境。因此我們對(duì)金屬管道腐蝕進(jìn)行分析。對(duì)金屬管道表面腐蝕最常見(jiàn)的原因就是土壤對(duì)其的腐蝕,土壤中含有的物質(zhì)較為復(fù)雜,不僅包含了土壤中的微生物,還包含了微生物分泌的分泌物等,大部分分泌物屬于酸性、堿性和鹽類等物質(zhì),并且大部分地下的土壤較為陰冷,所以其中含有大量的水分,當(dāng)酸堿和鹽等物質(zhì)溶解在水分中,電解質(zhì)溶液便形成了,進(jìn)而促使金屬發(fā)生腐蝕現(xiàn)象[1]。
電在生活中無(wú)處不在,比如脫衣服、梳頭等摩擦起電,空氣中微弱電流的傳導(dǎo),無(wú)論是距離金屬遠(yuǎn)近的電,這些電都會(huì)影響金屬的防腐蝕保護(hù),雜散電流的導(dǎo)入會(huì)與金屬發(fā)生離子的交換等一系列化學(xué)反應(yīng),最終導(dǎo)致金屬材料被腐蝕,影響金屬材料的正常使用。
空氣不是一個(gè)無(wú)菌環(huán)境,隨著空氣的流動(dòng),土壤、建筑、水中的微生物會(huì)隨著空氣傳播到金屬表面,隨著時(shí)間的流逝,金屬材料表面逐漸被腐蝕。降雨是常見(jiàn)的天氣,很多金屬會(huì)裸露在雨天里,與空氣和雨水直接接觸,雨水成分復(fù)雜,并且在滴落的過(guò)程中,與空氣接觸,空氣中部分物質(zhì)溶于雨水中,雨水作為溶劑附著在金屬表面,雨水中的物質(zhì)作為電解質(zhì)會(huì)與金屬之間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而腐蝕金屬。尤其是環(huán)境惡化的城市下雨時(shí),時(shí)常會(huì)形成酸雨,再當(dāng)酸雨接觸金屬時(shí),便發(fā)生酸雨對(duì)金屬的腐蝕情況,而空氣中的氧氣還會(huì)加速金屬的氧化反應(yīng),從而加快金屬的腐蝕情況,影響金屬的質(zhì)量,從而影響金屬的使用壽命。
除了以上所發(fā)生的腐蝕情況類型外,金屬的自身結(jié)構(gòu)也會(huì)一定程度上影響金屬的腐蝕,不同的金屬自身性質(zhì)也大不相同,金屬的純度也會(huì)影響金屬自身的腐蝕情況,內(nèi)部雜質(zhì)會(huì)和外部介質(zhì)里應(yīng)外合地腐蝕金屬。由于各廠商對(duì)金屬材料的制作工序以及制作標(biāo)準(zhǔn)不同,金屬設(shè)計(jì)和制作技巧也大不相同,從而不同程度上腐蝕金屬,影響金屬材料的正常使用。
金屬在應(yīng)用的作用不同,金屬內(nèi)部的雜質(zhì)也大不相同,因其自身的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致電化學(xué)電池的形成,從而影響金屬的防腐蝕保護(hù)。金屬以及合金材料的腐蝕主要是由于金屬表面與外界環(huán)境介質(zhì)的接觸,介質(zhì)與金屬之間相互作用,從而導(dǎo)致金屬失去電子,金屬表面甚至結(jié)構(gòu)被破壞,所以金屬腐蝕不但和金屬自身結(jié)構(gòu)、自身性質(zhì)(結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、成分等)有關(guān),還與環(huán)境介質(zhì)(離子濃度、酸堿度、濕度等)有關(guān)[2]。到目前為止,金屬防腐蝕一般有三條思路:(1)使用具有包覆效果的物質(zhì)包覆在金屬表面形成包覆層,阻斷金屬表面與環(huán)境介質(zhì)的直接接觸以及間接接觸;(2)改變金屬的腐蝕電位,使金屬受到電子的保護(hù),處于不易腐蝕的狀態(tài);(3)直接對(duì)金屬做出改變,改變金屬自身的性質(zhì),以提高金屬的耐腐蝕性[3]。根據(jù)目前金屬腐蝕的原因,國(guó)內(nèi)外對(duì)金屬腐蝕保護(hù)技術(shù)有了以下幾種方法。
金屬腐蝕主要原因就是金屬表面與環(huán)境介質(zhì)的接觸,為了隔絕金屬表面與環(huán)境介質(zhì)的直接接觸,我們?cè)谑褂玫慕饘俦砻姘惨粚颖Wo(hù)層,包覆金屬的保護(hù)方法主要有涂刷防腐涂料以及通過(guò)電鍍的方式:(1)使用防腐涂層,通常我們涂刷含有有機(jī)環(huán)氧樹(shù)脂聚氨酯等有機(jī)防腐涂料,使用防腐涂料主要防腐機(jī)理是在金屬表面包覆一層涂料,從而將金屬表面和環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)隔離,起到了防止金屬腐蝕的目的,進(jìn)而金屬的使用壽命得到增長(zhǎng)。(2)使用電鍍是利用化學(xué)反應(yīng)中的電解原理,其機(jī)理是在金屬材料表面鍍上一層金屬鍍層覆蓋膜,從而防止金屬失去電子而引起的金屬氧化(如銹蝕)的作用。與涂刷涂層相似,但本質(zhì)上又不同于涂刷涂層。例如,利用電鍍工藝得到的裝飾物件的外層膜。
金屬受到腐蝕的原因部分是因?yàn)榻饘偈ル娮?,電化學(xué)保護(hù)法的主要原理就是利用電化學(xué)使金屬單質(zhì)或者金屬合金不能失去電子,把被保護(hù)的金屬作為可以發(fā)生還原反應(yīng)的陰極,已達(dá)到解決金屬在陽(yáng)極失去電子的腐蝕原電池反應(yīng)[4],根據(jù)以上條件,具體實(shí)施方法為:(1)外加電流法,外加電流法是利用高中化學(xué)中的電解池原理,將被保護(hù)的金屬作為電解池的陰極,附加電極為陽(yáng)極,兩者構(gòu)成電解池的陰陽(yáng)電極,在附加直流電的通入下,陰極金屬得到保護(hù),阻止金屬材料失去電子,從而防止金屬腐蝕。(2)犧牲陽(yáng)極保護(hù)法,該方法與外加電流法極其相似,都是將被保護(hù)的金屬作為陰極,但本方法是利用原電池裝置,將一塊電極電勢(shì)更負(fù)(更容易失去電子)的金屬材料或合金作為原電池的陽(yáng)極,兩者構(gòu)成了原電池的陰陽(yáng)兩極,使得陰極被保護(hù)的金屬得到了保護(hù),阻止金屬被腐蝕。
緩蝕劑是一種存在于環(huán)境介質(zhì)中,能起到減緩金屬腐蝕甚至抑制金屬腐蝕的一類復(fù)合物,因此我們稱之為腐蝕抑制劑。它的用量很小,添加微量或少量緩蝕劑就可以使金屬在該介質(zhì)中腐蝕速率明顯減慢甚至不腐蝕,可適用于不同酸堿條件的環(huán)境下,添加緩蝕劑后不影響金屬材料的物理性能、力學(xué)性能以及其他性能。緩蝕劑一般分為三類:
(1)陽(yáng)極型緩蝕劑,陽(yáng)極緩蝕劑的抑制原理是利用緩蝕劑與金屬離子在金屬表面的陽(yáng)極區(qū)域發(fā)生反應(yīng),其優(yōu)點(diǎn)是用以生成氧化物或氫氧化物覆蓋在金屬表面,形成一層防止腐蝕的保護(hù)膜,抑制了金屬失電子而向水中溶解,使陽(yáng)極反應(yīng)被抑制。但是該緩蝕劑也有一定的缺點(diǎn),雖然緩蝕劑的添加量很小,但為了鈍化全部陽(yáng)極,需要保持溶液具有足夠高的濃度,如若濃度不夠,會(huì)發(fā)生部分未被鈍化的陽(yáng)極區(qū)域出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象,從而以點(diǎn)腐蝕金屬。具有代表性的陽(yáng)極緩蝕劑有亞硝酸鹽、酸鹽和鉬酸鹽等。
(2)陰極型緩蝕劑,陰極緩蝕劑其防腐機(jī)理是利用陰極的溶液發(fā)生的電子反應(yīng),析出陰極附近溶液中的物質(zhì),在陰極的金屬表面形成一層防止陰極金屬腐蝕的陰極區(qū)沉積膜,隨著膜的增厚,陰極還原反應(yīng)逐漸被抑制。其缺點(diǎn)是,該緩蝕劑需在陰極形成沉積成膜,需要一定的時(shí)間,因此會(huì)影響金屬的前期腐蝕。目前,應(yīng)用較廣的陰極型緩蝕劑主要有鋅的碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物等。
(3)混合型緩蝕劑,混合型緩蝕劑是化學(xué)物質(zhì)分子中含有兩種性質(zhì)相反的極性基團(tuán)的有機(jī)緩蝕劑,其一般是某些含硫或者含氮等含有表面活性的有機(jī)緩蝕劑,能夠使緩蝕劑同時(shí)在金屬的陰陽(yáng)兩極吸附在清潔的金屬表面形成單分子膜,可同時(shí)在陰陽(yáng)兩極形成保護(hù)膜,阻止金屬與水中溶解氧以及其他介質(zhì)通過(guò)水溶液向金屬表面擴(kuò)散,從而起到緩蝕作用,進(jìn)而抑制金屬發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。常用混合型緩蝕劑有巰基苯并噻唑(MBT)、苯并三唑、十六烷胺等。
除了通過(guò)以上方式之外,我們也可以通過(guò)在金屬中添加或者減少一些元素(金屬元素或者非金屬元素)的含量,借此來(lái)提高金屬其本身的耐腐蝕性能,使其化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定,抑制腐蝕的發(fā)生,例如向碳鋼中添加鎳、鎘、鈦等元素形成不銹鋼;或者減少碳鋼中碳元素的含量,并添加某些元素形成雙相不銹鋼、超低碳不銹鋼等。前者通過(guò)鋼與其他金屬元素形成合金,使其化學(xué)性能更加穩(wěn)定,而后者則是提高了碳鋼的抗氧化性能。
近年來(lái),金屬腐蝕與防腐蝕措施在國(guó)內(nèi)外成果璀璨,據(jù)相關(guān)部門報(bào)道,現(xiàn)如今如果將金屬腐蝕以及防腐蝕措施得到普及,金屬腐蝕現(xiàn)象將大幅度下降,可使腐蝕損失至少減少40%。
現(xiàn)代防腐蝕技術(shù)正在進(jìn)一步提高,隨著使用金屬的人群越來(lái)越多,人們對(duì)金屬腐蝕將會(huì)越來(lái)越重視,大到金屬建筑結(jié)構(gòu),小到家用鍋碗瓢盆,這可以加速我們對(duì)金屬防腐蝕科學(xué)技術(shù)的普及,進(jìn)一步加大金屬防腐蝕科學(xué)技術(shù)在各種領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用,金屬防腐不僅可以減少金屬腐蝕帶來(lái)的損失,也可以保障人們?cè)谑褂媒饘俨牧蠒r(shí)的人身安全,對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展影響深遠(yuǎn),是節(jié)約國(guó)家資源,減少污染,降低安全隱患,提高金屬應(yīng)用的有效途徑。
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Research on Metal Corrosion Prevention and Corrosion Prevention Measures
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(Shenyang Shunfeng New Material Co., Ltd., Liaoning Shenyang 110326, China)
With the progress of the society, economic growth, the application of metal in production and life is increasingly extensive,. However, the metal corrosion makes us face a huge challenge. The corrosion of metal destroys the original appearance and function of metal. As a result, the application of metal is restricted to some extent and even has some impact on people's life. Serious cases may even cause environmental pollution and safety accidents. In this paper, the causes of metal corrosion were analyzed, and the corresponding anti-corrosion measures were discussed.
metal; corrosion; anti-corrosion measures
2019-09-22
王楊松(1983-),男,碩士,中級(jí),研究方向:水性涂料,納米填料。
TQ050.9+1
A
1004-0935(2020)03-0315-04