金属防腐自修复涂料的发展方向分析

2021-01-22 10:39:49 作者：本网整理来源：腐蚀与防护涂料市场、涂料工业分享至：

所谓自修复涂料是指涂层遭到破坏后具有自修复功能，或者是在一定条件下具有自修复功能的涂料。自20世纪80年代开始出现关于自修复涂料的文献报道。早期的自修复防腐涂料是基于六价铬在潮湿的环境中在碳钢表面形成一层致密的含有γ-Fe2O3和Cr2O3的钝化膜，对基材表面起到良好的延缓腐蚀的作用。但是六价铬化合物不仅有毒而且容易被人体吸收，具有致癌作用，不符合健康环保的要求。防腐涂料必须满足当今对环境保护法律法规的要求，因此节能环保的自修复防腐涂料是一种具有广阔前景的产品。

自修复防腐涂料的发展现状

据Alicja等人统计，自上世纪80年代到2015年期间，出版了关于自修复保护涂料的文献报道就有542篇，具体分布情况如图1所示，从图中显示自2010年至2015年期间关于自修复涂料的文献数量呈现快速增长的趋势。同时把研究自修复涂料的全球分布以及欧洲分布情况进行了统计，统计结果如图2和图3所示。结果表明自修复涂料在全球分布来看，亚洲和欧洲研究的比较多，欧洲分布情况显示出德国研究的偏多。

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金属防腐自修复涂料的种类

微胶囊型自修复涂料

White等人设计了典型的微胶囊自修复复合材料系统，具体设计思路如图4所示。该系统是将修复剂包裹在微胶囊中，然后将微胶囊负载到含有能够聚合该修复剂的催化剂的复合材料结构中。具体自修复过程是：

a）当涂层发生损坏产生了裂纹；

b）裂纹造成微胶囊破裂，释放出修复剂；

c）修复剂与催化剂接触后发生聚合反应将裂纹修复。

图4 自动修复概念示意图

微胶囊型自修复涂料理论研究比较成熟，但是在工业使用过程中存在一些难点，含有修复剂的微胶囊含量少了起不到修复效果，含量多了影响涂层的力学性能。而且不但在生产微胶囊涂料过程中需要严格控制，就是在施工过程中也需要特别注意。

高聚物型自修复防腐涂料

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图5 狄尔斯-阿尔德反应机理

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图6 自修复过程的SEM

图7 π-π键相互堆积结构图

图8 弹性体自修复涂膜自修复示意图

高聚物型自修复涂料在生产和施工过程中不像微胶囊自修复涂料那么不好控制。但是高聚物型自修复涂料的力学性能偏低，涂膜硬度和耐磨性能偏低，而且在自修复过程中需要加热才能完成。

负载缓蚀剂型自修复涂料

加入金属缓蚀剂是金属防腐中常用的方法。六价铬虽然能够有效地抑制金属基材的腐蚀，但其毒性原因不符合环保要求。近年来发展了一些环境友好型的缓蚀剂，如铈、钼酸、磷酸以及有机缓蚀剂，这些能够有效地替代六价铬。缓蚀剂虽然能够有效地在金属表面形成一层保护的钝化膜起到抑制金属进一步腐蚀的作用，但是由于缓蚀剂与涂层的相容性差，如果直接加入到涂层中会影响防腐效果。而且由于化学键的相互影响，使缓蚀剂均匀地分散到涂层中也是相当困难的。为了解决这一问题，许多学者设计出了一些列的解决方法。

将缓蚀剂负载到多孔结构的材料中，然后再加入树脂中制备的自修复涂料解决了微胶囊型自修复涂料的生产和施工复杂以及高聚物型自修复涂料的力学性能较差的问题。不过该涂料在自修复过程中需要缓蚀剂从多孔结构中释放出来以达到修复的目的，这样就会受到缓蚀剂释放能力的限制，需要在修复过程快速释放以达到满意的效果。

自修复金属防腐涂料的发展方向

利用自修复的性能延长防腐涂层的使用寿命，这种方法已经得到了学术界和工业界的广泛关注。但是距离象生物一样理想的自修复防腐涂料还有一定的差距。今后在自修复防腐涂料的发展方面有如下重点：

（1）简化工艺过程，提高可操作性

从实际应用角度出发，生产配方以及生产及施工工艺越简单，实际应用价值越高，使用越广泛。如现在普遍研究的微胶囊自修复系统就存在生产或使用过程中微胶囊提前破裂而达不到自修复目的的问题。

（2）研究室温自修复的高聚物型智能涂料

利用高聚物的某些特性实现自修复目的的复合涂料，自修复过程普遍需要加热升温，一般都要在80~160℃左右的温度下才能达到自修复，这样的自修复没有达到自发进行的目的。所以研究在室温下就能够达到自修复目的的防腐涂料是具有工业实用价值的未来发展趋势。

（3）扩大天然材料在防护涂料方面的应用

天然材料是比较理想的工业原材料，比如天然的高分子材料（包括纤维、壳聚糖、天然橡胶等）、天然矿物纳米材料等已经在防腐涂料中得到了广泛应用。美国专利US9683109B2介绍了一种自修复防腐涂料，该涂料就是采用壳聚糖、二氧化硅粒子和环氧树脂合成聚吡咯导电复合物。通过测试质量损失以及盐雾试验证明负载2.0%的壳聚糖聚合物的环氧涂层在高的腐蚀环境中具有优异的防腐蚀效果。不断研究发现天然材料的特性，并把其应用在自修复防腐涂料体系中是一项利国利民的重要事业。

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