關(guān)于作者
中國科學院金屬研究所
海洋工程結(jié)構(gòu)和船舶防腐蝕涂料研究取得重要進展
材料新視野
2014年02月26日
中國科學院金屬研究所材料環(huán)境腐蝕研究中心納米復合涂料課題組劉福春副研究員針對海洋工程設施和船舶壓載艙防腐蝕難題，先后承擔了國家科技支撐計劃課題《新建海洋鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)及工程示范》子課題“高抗紫外線納米防護涂料的研究”(2007BAB27B02-2)、“高性能壓載艙涂料制備技術(shù)開發(fā)與示范課題”(2009BAE70B02)，研制的防護涂料成功提高了海洋工程設施和船舶的使用壽命和安全性，降低了維修費用，具有較好的社會效益和經(jīng)濟效益。
海洋腐蝕環(huán)境分為五個腐蝕區(qū)帶，其中浪花飛濺區(qū)是腐蝕最為苛刻的區(qū)域，也是防腐蝕處理的難題。在浪花飛濺區(qū)，鋼表面由于受到海水的周期潤濕，經(jīng)常處于干濕交替狀態(tài)，供氧充分，鹽分不斷濃縮，加上溫度差異以及風和海水同時作用引起的波浪沖擊等因素作用，腐蝕特別嚴重。普通涂料在這種條件下使用不到半年就會開裂、脫落。
為了獲得高性能耐海洋大氣與浪花飛濺區(qū)的腐蝕防護涂層，課題組成功制備了固含量為55%、粘度小于500mPa s的納米氧化鋅濃縮漿。利用納米氧化鋅等濃縮漿研制出納米復合聚氨酯面漆、納米復合環(huán)氧玻璃鱗片中間漆、納米復合環(huán)氧富鋅底漆。實驗表明納米氧化鋅濃縮漿可以顯著改進涂層的耐鹽霧性能和耐候性。在經(jīng)過6000h鹽霧實驗后，涂層不起泡、不脫落、底材不銹蝕。經(jīng)過青島浪花飛濺區(qū)掛片1年暴露試驗后，所有納米復合聚氨酯涂層試樣表面均沒有發(fā)生開裂、起泡、剝落、粉化等破壞現(xiàn)象，表明在海洋飛濺區(qū)的耐候性優(yōu)于國外某品牌聚氨酯涂層。課題組與大連裕祥科技集團有限公司合作，將該納米復合涂層成功應用于大連濱海路北大橋鋼結(jié)構(gòu)的表面維修工程及有關(guān)海洋設施防腐工程的示范項目中。
對于船舶而言，壓載艙的主要作用是灌入海水或泵出海水以消除或恢復船體的浮力、平衡船體以及調(diào)節(jié)吃水線。由于常年經(jīng)受海水的浸潤和干濕交替的考驗，壓載艙是船體上腐蝕最嚴重的部位，也是船舶的最大安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，我國僅上世紀90年代就因為壓載艙腐蝕導致100多條船只報廢，共計100多萬噸位。壓載艙表面是由防腐蝕涂料來進行保護的，防腐蝕涂料的性能決定了壓載艙的使用壽命。
針對壓載艙等嚴酷海水腐蝕環(huán)境的防護問題，課題組獲得了以下研究成果：（1）研究了超短玻璃纖維對環(huán)氧涂層的力學和耐腐蝕性能影響，結(jié)果表明在涂層中添加超短玻璃纖維能夠提高涂層的硬度和附著力。此外，超短玻璃纖維也能有效降低涂層體系的熱膨脹系數(shù)并且提高涂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。超短玻璃纖維的關(guān)鍵作用是降低涂層的內(nèi)應力，防止厚涂層在交變環(huán)境下出現(xiàn)開裂和脫落現(xiàn)象。環(huán)氧涂層中添加超短玻璃纖維對涂層耐腐蝕性方面的主要貢獻在于其能阻擋腐蝕介質(zhì)在涂層中的滲透過程，具有一定的屏蔽作用。根據(jù)這些結(jié)論，課題組研制出一種含有超短玻璃纖維的新型環(huán)氧富鋅涂料，該涂料具有良好的附著力、沖擊強度和耐腐蝕性能。（2）研究了添加環(huán)保型防銹顏料Ferrinov-100鐵酸鹽和ZP10磷酸鋅的防銹效果。結(jié)果表明，涂層中添加這兩種防銹顏料均能夠起到防銹效果，不過兩者在涂層中的最佳含量有所差異，F(xiàn)errinov-100鐵酸鹽的體積濃度在涂層中不能超過10%，并且在涂層中具有自修復功能。而ZP10磷酸鋅的體積濃度則必須達到30%以上才具有良好的耐腐蝕性。
為了更好地進行壓載艙涂料實驗，課題組設計、制造了模擬壓載艙實驗裝置以進行涂層的模擬環(huán)境考核。經(jīng)考核，研制的納米復合環(huán)氧壓載艙漆完全達到GB/T 6823-2008《船舶壓載艙漆》國家標準的要求。2011年課題組與大連裕祥科技集團有限公司一起在1000立方米自航開體泥駁船上完成了3500m2的壓載艙涂裝工程。
課題組取得的部分研究成果發(fā)表在Surface & Coatings Technology，2011， 205: 4532-4539；Progress in Organic Coatings， 2011, 71: 188-197；Journal of The Electrochemical Society,2012，159：C403-C410，并已獲得7項國家發(fā)明專利。
海洋腐蝕環(huán)境分為五個腐蝕區(qū)帶，其中浪花飛濺區(qū)是腐蝕最為苛刻的區(qū)域，也是防腐蝕處理的難題。在浪花飛濺區(qū)，鋼表面由于受到海水的周期潤濕，經(jīng)常處于干濕交替狀態(tài)，供氧充分，鹽分不斷濃縮，加上溫度差異以及風和海水同時作用引起的波浪沖擊等因素作用，腐蝕特別嚴重。普通涂料在這種條件下使用不到半年就會開裂、脫落。
為了獲得高性能耐海洋大氣與浪花飛濺區(qū)的腐蝕防護涂層，課題組成功制備了固含量為55%、粘度小于500mPa s的納米氧化鋅濃縮漿。利用納米氧化鋅等濃縮漿研制出納米復合聚氨酯面漆、納米復合環(huán)氧玻璃鱗片中間漆、納米復合環(huán)氧富鋅底漆。實驗表明納米氧化鋅濃縮漿可以顯著改進涂層的耐鹽霧性能和耐候性。在經(jīng)過6000h鹽霧實驗后，涂層不起泡、不脫落、底材不銹蝕。經(jīng)過青島浪花飛濺區(qū)掛片1年暴露試驗后，所有納米復合聚氨酯涂層試樣表面均沒有發(fā)生開裂、起泡、剝落、粉化等破壞現(xiàn)象，表明在海洋飛濺區(qū)的耐候性優(yōu)于國外某品牌聚氨酯涂層。課題組與大連裕祥科技集團有限公司合作，將該納米復合涂層成功應用于大連濱海路北大橋鋼結(jié)構(gòu)的表面維修工程及有關(guān)海洋設施防腐工程的示范項目中。
對于船舶而言，壓載艙的主要作用是灌入海水或泵出海水以消除或恢復船體的浮力、平衡船體以及調(diào)節(jié)吃水線。由于常年經(jīng)受海水的浸潤和干濕交替的考驗，壓載艙是船體上腐蝕最嚴重的部位，也是船舶的最大安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，我國僅上世紀90年代就因為壓載艙腐蝕導致100多條船只報廢，共計100多萬噸位。壓載艙表面是由防腐蝕涂料來進行保護的，防腐蝕涂料的性能決定了壓載艙的使用壽命。
針對壓載艙等嚴酷海水腐蝕環(huán)境的防護問題，課題組獲得了以下研究成果：（1）研究了超短玻璃纖維對環(huán)氧涂層的力學和耐腐蝕性能影響，結(jié)果表明在涂層中添加超短玻璃纖維能夠提高涂層的硬度和附著力。此外，超短玻璃纖維也能有效降低涂層體系的熱膨脹系數(shù)并且提高涂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。超短玻璃纖維的關(guān)鍵作用是降低涂層的內(nèi)應力，防止厚涂層在交變環(huán)境下出現(xiàn)開裂和脫落現(xiàn)象。環(huán)氧涂層中添加超短玻璃纖維對涂層耐腐蝕性方面的主要貢獻在于其能阻擋腐蝕介質(zhì)在涂層中的滲透過程，具有一定的屏蔽作用。根據(jù)這些結(jié)論，課題組研制出一種含有超短玻璃纖維的新型環(huán)氧富鋅涂料，該涂料具有良好的附著力、沖擊強度和耐腐蝕性能。（2）研究了添加環(huán)保型防銹顏料Ferrinov-100鐵酸鹽和ZP10磷酸鋅的防銹效果。結(jié)果表明，涂層中添加這兩種防銹顏料均能夠起到防銹效果，不過兩者在涂層中的最佳含量有所差異，F(xiàn)errinov-100鐵酸鹽的體積濃度在涂層中不能超過10%，并且在涂層中具有自修復功能。而ZP10磷酸鋅的體積濃度則必須達到30%以上才具有良好的耐腐蝕性。
為了更好地進行壓載艙涂料實驗，課題組設計、制造了模擬壓載艙實驗裝置以進行涂層的模擬環(huán)境考核。經(jīng)考核，研制的納米復合環(huán)氧壓載艙漆完全達到GB/T 6823-2008《船舶壓載艙漆》國家標準的要求。2011年課題組與大連裕祥科技集團有限公司一起在1000立方米自航開體泥駁船上完成了3500m2的壓載艙涂裝工程。
課題組取得的部分研究成果發(fā)表在Surface & Coatings Technology，2011， 205: 4532-4539；Progress in Organic Coatings， 2011, 71: 188-197；Journal of The Electrochemical Society,2012，159：C403-C410，并已獲得7項國家發(fā)明專利。