聚苯胺防腐蚀涂料的应用

聚苯胺防腐蚀涂料的应用

朗晖云防腐技术总监 · 51防腐蚀论坛版主   张作华

     聚苯胺（PANI）早期作为高分子导电材料应用于化学电源、传感器、防静电、隐形材料等领域。自1985年DeBerry报道了聚苯胺是一种新型的金属钝化剂以来，世界各国纷纷在导电聚合物防腐领域进行了开发研究，并相继推出了抗静电防腐蚀涂料。天津大学王纪孝教授领导的研发团队在导电聚合物制备、表征及应用方面进行了深入的研究，发表了大量的研究论文和多项专利，其中聚苯胺纳米球、纳米线、纳米片的生产已达规模化和商业化，技术水平世界领先，打破了我国聚苯胺纳米材料在防腐涂料研发方面的落后局面。

    传统的金属防护方法有使用缓蚀剂、电镀惰性材料、钝化金属形成致密钝化膜、阴极保护及涂层等方法。从实际使用效果来看，缓蚀剂使用方便但是效率低；电镀惰性贵金属效果好但成本高；阴极保护适用于一些特定的环境中；涂层防护法方便、简单，使用最广，但涂层的防护效果取决于涂层的阻隔性能，为提高涂层的阻隔性能，往往在涂料中添加片状材料或/和氧化性金属盐。添加片状材料或/和氧化性金属盐的加入不能避免涂层的缺陷，如：涂层微孔，致密度低，难以阻止空气、水及盐离子等腐蚀介质进入涂层，造成金属腐蚀；涂层中的无机片状材料（玻璃鳞片、云母、玄武岩鳞片等）与树脂亲和力差，容易产生分相现象形成界面微裂隙，加速腐蚀介质渗透，造成金属腐蚀。即使无机鳞片用偶联剂表面处理，其仍存在与树脂材料膨胀系数不同现象，仍会出现相分离现象形成气孔，形成腐蚀介质通道，造成金属腐蚀。氧化性金属盐的添加，也可能由于重金属的污染对人体健康产生危害。
    聚苯胺防腐涂料通过以下机理防腐：第一，依靠聚苯胺的氧化还原性使金属基材表面形成致密的氧化膜薄膜（钝化膜），钝化膜的形成**延缓了金属的腐蚀；第二，同样依据聚苯胺的氧化还原性，在聚苯胺氧化金属形成致密钝化膜的同时，聚苯胺被还原，还原的聚苯胺为绝缘体，阻止腐蚀电荷的传递；第三，依据聚苯胺可逆的掺杂/脱掺杂性，当掺杂的离子合适时，掺杂的离子能够促进钝化膜的形成或自身在金属表面形成吸附层防腐；第四，聚苯胺的导电性能使金属表面产生一个电场，该电场的方向与电子传递方向相反，阻碍电子从金属向氧化物质的传递，即形成了电子传递屏障。
    当聚苯胺的结构与状态控制合适时，少量聚苯胺的加入会大幅度提高防腐涂层对金属的防护水平和涂层的机械性能。因此，聚苯胺防腐涂层的综合性能优异，例如：天津大学王纪孝教授团队研发的系列聚苯胺防腐涂料耐盐雾12000小时以上，耐急速温度冲击（在-80oC 30Min.与230oC 30Min.分钟交替进行）24次以上，适用于高浓酸、碱、盐等多种重腐蚀环境下的使用。聚苯胺防腐涂料具有非常好的边缘防腐性能和抗划伤能力，涂层可以抵抗1-2㎜的划痕，使锈层扩展速度极慢。在轧钢厂二冷室（腐蚀速率≥12mm/Y，为C5最高腐蚀速率的60倍以上，为CX最高腐蚀速率的17倍以上）、低温换热器（腐蚀速率≥12mm/Y，为C5最高腐蚀速率的60倍以上，为CX最高腐蚀速率的17倍以上）等重腐蚀环境的工程表明，含有聚苯胺的涂层能够在酸、碱、盐等环境中具有极强的防护能力。

图1. 10mmH型钢在轧钢二冷室中一年的腐蚀状态、防腐工程施工现场及施工14个月后的钢构状态

图2. 中石化普光天然气净化厂（硫化氢高湿环境）钢构在试运行不足4个月的腐蚀状态、防腐工程施工现场及施工9年后的钢构状态

  图3. 湘钢煤气管道防腐工程施工现场及施工1个月后的状态对比

              通过控制涂层的结构，聚苯胺防腐涂层的耐温范围宽，在-65℃-180℃环境下具有优异的防腐性能，其在酸，碱，盐或者酸碱交替变化环境中抗腐蚀性能突出，具有长效防腐的效果。与不同的面漆配套，在跨海大桥，港口船坞，近海设施，海洋平台，储罐管道，垃圾处理设备，闸门栅栏，矿山设施，采煤设备，高压线塔，管桩栈桥，钢结构管廊架，特别是恶劣环境下海湾大桥，海上平台，风力发电，光伏发电诸多领域被作为长效性防腐材料有广泛的应用前景，被称为防腐领域的新一代产品。国外聚苯胺防腐涂料应用有：德国铁路桥梁，日本过街天桥和棒球馆，波兰废水处理钢结构，德国原油输水管道，法国空中客车动力系统，丹麦集装箱船，德国化工厂过滤设备和矿井设备等；国内以天津大学王纪孝教授团队研发、上海平耐公司生产的聚苯胺防腐涂料应用有：莱钢II厂区连铸1车间二冷室钢结构涂装（工况条件，温度85℃，相对湿度100%，含盐量饱和，高照度辐射，有振动，腐蚀强度≥12㎜/年），江苏索普集团低温换热器防腐（工况条件，温度-5℃，20%食盐水，腐蚀强度≥12㎜/年），中石化达州天然气净化厂硫磺储运车间料仓地下廊道防腐（工况条件，温度20℃-40℃硫化氢浓度6-18PPm，相对湿度45%-100%）工程等。

    聚苯胺防腐涂料施工方法和传统的防腐涂料施工方法差别不大，重点要注意以下几点：
      1.  聚苯胺防腐涂料是双组分材料，必须按比例充分混合，并做相应的预处理。一般条件下，熟化后的涂料必须2h内用完，否则会发生凝胶现象无法使用。
      2.  聚苯胺防腐涂料在常温条件下应在喷砂后4h内涂装，相对湿度≥80%时应该立即涂装，以免闪锈的发生。后续涂层应该在前一道涂层表干后进行，表干时间3-12h不等，完全固化为10d，复涂最大间隔时间不得超过3d。
      3.  聚苯胺防腐涂料涂层在两周内达到稳定的最佳效果，涂层未表干或者受潮沾水不可涂装面涂。
    聚苯胺防腐涂料在实际施工中的工艺步骤和传统的涂装工艺相似，并不复杂，具体操作流程如下：
      1.表面处理。清除构件或设施表面灰尘，污垢，油渍及疏松的物质，表面应干燥清洁，建议采取喷砂或喷丸方式除锈，如果条件受限无法喷砂时，可以采用机械打磨方式。除锈质量要求应符合GB8923最新标准所规定的要求，喷砂Sa2.5打磨St3级。
      2.配料涂装。将聚苯胺防腐涂料的两组分搅拌摇匀后按照配比机械搅拌5-10Min.，再进行10Min.超声波处理，熟化的涂料可采用刷涂、滚涂、浸涂、喷涂等方式施工。
      3.自然养护。聚苯胺防腐涂料涂装结束后，应该保持一段时间的自然养护，建议常温浸没或高温（超过100oC）环境下，放置7d后投入使用，环境温度低于10℃时，延长至10d后再投入使用。一般气氛环境下，表干即可使用。
4.配套面漆。一般情况下聚苯胺在全浸没或无强紫外线暴露工况下可不进行面漆涂装，就可以达到长效的防腐蚀效果。当聚苯胺涂层应用于强紫外线暴露或有装饰、警示要求时，需配套不同的面漆，面漆涂装必须在聚苯胺涂层干燥的条件下进行。

聚苯胺优异的理化性能参数表

     聚苯胺防腐涂料被防腐界称为新一代防腐涂料。其优异的综合性能和超长的耐盐雾性能使在海洋平台，海工设施防腐及其他钢构件保护应用中具有划时代的意义，将会给海洋防腐和钢构件保护材料带来大好发展机遇。笔者也建议聚苯胺防腐涂料在施工应用中进一步改进和完善，如超导搅拌，湿度限制及表面处理容忍，操作时间的延长等需要研发人员不断创新完善，让这款高薪防腐涂料真正成为“最新一代防腐产品”。笔者相信聚苯胺防腐涂料的上市将会改变传统的防腐观念，其长效的耐蚀性能，超长的耐盐雾时间将会在特殊的防腐蚀领域和延伸应用发挥意想不到的作用。

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好东西不要沉底，举荐一下

不知道这种涂料耐溶剂性，能否耐氯乙烯？

wangxineng 发表于 2021-11-29 19:40
不知道这种涂料耐溶剂性，能否耐氯乙烯？

目前耐氯乙烯性价比最高的材料是不透性石墨，例如在氯乙烯合成装置中常用的石墨换热器、石墨冷凝器、石墨加热器、石墨降膜吸收器、石墨塔类设备等都是以不透性石墨为结构材料制造而成。

wangxineng 发表于 2021-11-29 19:40
不知道这种涂料耐溶剂性，能否耐氯乙烯？

氯乙烯里面应该含有少量的盐酸，聚苯胺是可以耐得住的，有些强极性溶剂是耐不住的，像NMP/DMF等是耐不住的

王根荣 发表于 2021-11-30 08:30
目前耐氯乙烯性价比最高的材料是不透性石墨，例如在氯乙烯合成装置中常用的石墨换热器、石墨冷凝器、石墨 ...

石墨可以耐盐酸和氯离子，但是对腐蚀的设备修复做涂层可能比较难吧？

wangxineng 发表于 2021-11-30 12:24
石墨可以耐盐酸和氯离子，但是对腐蚀的设备修复做涂层可能比较难吧？

不透性石墨制化工设备可以在任何浓度的盐酸沸点条件下长期使用，无腐蚀现象发生。

置个顶  

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现在桥梁防腐方面主要再用冷喷锌、环氧富锌、无机富锌对应的配套体系，感觉聚苯胺底漆用的较少了  。交通部的聚苯胺漆标准也被废止了。 还有，请问聚苯胺防腐底漆是用本征型的聚苯胺好，还是掺杂型的聚苯胺好？

湖南暮坪湘江特大桥就是设计的聚苯胺涂料。聚苯胺体系涂料具有优良的防腐性能，也越来越得到更多人的信任和使用。本征型或掺杂态都可以用。实际上，在环氧体系中（室温胺、酰胺等固化剂），掺杂态的聚苯胺会脱掺杂，形成本征态，其防腐性能与掺杂离子有关，当选择合适和用量合适时，涂料的防腐性能会很好。

该材料在一些腐蚀环境比较苛刻的条件下，能很好地解决金属的腐蚀问题，提高被涂装的设备、钢结构的使用寿命，是很值得关注的一项涂料涂层技术。

谢谢王老师的肯定，我们尽最大努力把工作做好。

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wangxineng 发表于 2021-11-29 19:40
不知道这种涂料耐溶剂性，能否耐氯乙烯？

聚苯胺重防腐涂料可以耐氯乙烯腐蚀