气相缓蚀剂的研究开发及应用中若干问题的探讨

目前, 气相防锈材料已大量应用于工业设备的防腐蚀保护中, 包括船舶、电站设备、机械仪表、汽车及军工产品等。气相缓蚀剂也可用于金属文物的保护, 包括铁质、青铜文物的长期保存。实验表明, 气相缓蚀剂对带锈金属文物具有良好的保护效果, 能防止新生锈蚀的产生, 并且不改变文物的外观和色泽[31-32]。

按照应用形态, 可以将气相防锈材料分为3类:一是液态产品, 如气相防锈液、气相浮悬液、气相防锈油等; 二是载体和薄膜类产品, 如气相防锈胶带、气相防锈盒、气相防锈纸、气相防锈塑料薄膜、气相防锈复合膜等; 三是固态产品, 如气相防锈粉、气相防锈片剂、气相防锈丸剂、气相防锈干燥剂等。

近年来, 随着经济的发展及对环境保护的要求提高, 不少研究人员开始开发气相防锈新产品和气相缓蚀剂的使用新方法, 如气相防锈泡沫塑料、气相防锈烟熏剂、气相防锈干燥剂、可剥性气相防锈胶带、气相防锈缓冲材料等。

气相防锈热收缩膜是含有气相缓蚀剂的热收缩膜, 薄膜受热后可以产生25%~65%的收缩, 导致气相缓蚀剂快速大量挥发, 充盈在薄膜所包围的空间内, 有效地对设备进行防腐蚀保护, 可满足现代机械化包装的需求。气相防锈防静电膜能够消除静电荷积累, 同时挥发释放出气相缓蚀剂, 可用于电子产品、电器元器件的包装。

珍珠棉的韧性较高、抗拉强度和抗冲击强度较大, 气相防锈珍珠棉产品适用于电器、仪表等产品及大型设备的缓冲防锈包装, 既避免了因冲击和震动造成设备性能衰减的损伤, 又可满足设备防锈的需求。

气相防锈涂料采用气相缓蚀剂取代或部分取代传统的铅系和铬酸盐系无机防锈颜料, 克服了传统的防锈颜料毒性大的缺点。同时, 由于气相缓蚀剂具有挥发和扩散特性, 可以在涂层的缺陷处迁移、富集, 抑制涂层缺陷处的腐蚀, 从而使得防腐蚀涂层具有自修复性能[33]。气相防锈涂料已在航天火箭的动力结构部件以及钢铁热镀锌涂装工艺中得到应用。据悉国内某企业将气相缓蚀技术与片锌技术相结合, 选用醇溶性硅酸烷基酯水解液或粉末环氧、粉末聚酯为基础树脂, 开发了气相防锈涂料, 替代了传统的热浸镀锌工艺。当涂层厚度为45 μm时, 盐雾寿命为10 000 h, 附着力大于3 MPa, 耐温400 ℃, 涂层电阻为(103~104) Ω, 相较于热浸镀锌工艺总成本可节约25%左右。气相防锈涂料既可以用于制造各种防锈包装材料, 又可以作为金属表面的防腐蚀涂料, 直接涂覆使用。例如, 将有机胺羧酸盐掺杂于醇酸树脂漆中制成气相防锈涂料, 将其涂覆于钢铁表面, 划痕试验表明, 经过500 h盐雾试验后涂层的划痕处无锈蚀发生。

气相缓蚀剂、其他防锈添加剂和助剂一起可以配制混凝土钢筋阻锈剂。它利用混凝土的多孔结构, 在混凝土内以气相和液相扩散的方式向钢筋表面传输, 形成有效的保护膜。混凝土钢筋阻锈剂可以掺和于修补砂浆中使用, 也可以涂覆在钢筋表面或受损混凝土的表面上使用, 其有效成分可以在混凝土中扩散和渗透, 到达钢筋表面, 从而使钢筋再钝化。钢筋阻锈剂的使用, 为钢筋混凝土结构的无损高效修复提供了一种新的方法。

传统上, 气相防锈材料大多应用于装备制造业金属制品储运的防腐蚀保护。近年来, 在过程工业中, 如石油、化工、电力等, 大量采用了气相缓蚀技术, 用于生产工艺过程的防腐蚀控制。工业流体输送现在也逐渐倾向于采用气相缓蚀剂成分的气液双相缓蚀剂, 如油气开采、循环冷却等。此外, 还可采用气相防锈技术对运行期间的电力生产和控制技术中的电子元器件进行保护。过程工业正在越来越多地应用气相缓蚀技术来解决气相腐蚀问题, 但需注意的是, 气相缓蚀剂的引入不能对工艺过程带来不利的影响。

应用环境条件对气相缓蚀剂的性能也有着重要影响。RAMMELT U等人[34]研究了一些常见的有机酸、碱、盐型、杂环气相缓蚀剂对碳钢的钝化作用, 结果表明, 气相缓蚀剂的保护作用与被保护金属表面电解液薄层的pH值密切相关。碳钢在酸性介质中存在均匀腐蚀, 故气相缓蚀剂不能充分保护酸性介质中的碳钢。在中性及弱碱性条件下, 气相缓蚀剂具有良好的钝化性能, 而在强碱性介质中(pH≥10)存在硝酸根、硫酸根等侵蚀离子时, 气相缓蚀剂的保护性能显著下降。不同的应用环境需要不同的气相缓蚀剂配方, 应根据防腐蚀技术的总体要求、被保护对象和应用的环境条件, 选择使用不同的气相防锈材料。

气相防锈母粒是目前气相防锈塑料膜开发的一个关键技术和难点。吹塑、注塑等塑料成型加工温度一般在150~195 ℃之间, 而常用的气相缓蚀剂的稳定温度范围多在100 ℃以下, 少数加工温度较高的缓蚀剂的气相挥发性不理想, 研发具有较高加工温度并具有优良气相挥发性能的气相缓蚀剂便成为气相防锈塑料制品开发技术的关键之一[35]。另外, 常用的气相缓蚀剂分子极性大, 用它们制造气相防锈塑料膜, 存储一段时间后会从塑料膜中析出, 从而导致塑料包装膜的外观变差、防锈性能下降。检测气相防锈塑料膜中气相缓蚀剂的浓度变化, 研究气相缓蚀剂在塑料中的迁移扩散规律, 解决气相缓蚀剂和塑料基体的相容性, 是一个重要内容。此外, 常用的胺类气相缓蚀剂具有令人不愉快的气味, 这也是气相防锈塑料开发中值得注意的问题。

电厂热力系统在停备用期间会受到大气腐蚀的侵害, 极有可能造成事故危害以及额外的维护维修成本, 严重影响电厂的安全经济运行。做好热力设备的停用保护, 是火力发电厂的一项重要工作[36]。目前, 常用于热力设备停用保护的气相缓蚀剂, 主要有碳酸铵、氯化铵和碳酸环己胺等, 但这些药剂产生的CO2和HCl等分解产物会进入到热力设备中, 引起设备局部表面水膜的酸化, 造成设备的腐蚀。用于热力设备停用保护的气相缓蚀剂, 要考虑其在高温下水-汽两相的分配系数以及其高温高压下的分解产物, 不能引起设备腐蚀和操作不便。此外, 还应注意其可能从气相转移到水相的数量, 启动时不能影响水汽质量, 又要满足快速启动的要求。