玄武岩鳞片在防腐防污涂料中的应用及发展
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  摘要:介绍了玄武岩鳞片的特性及其在防腐防污涂料中的应用,并对其发展前景进行了展望。

  玄武岩鳞片是一种新型鳞片材料,是选用性能优良的天然玄武岩矿石经高温熔融、澄清、均化成型、筛选等特殊加工工艺而成的新型材料,呈现透明或深绿色片状结构,厚度一般在3μm左右,尺寸一般在25μm ~ 3 mm左右。玄武岩鳞片由于玄武岩鳞片中铁氧化物、二氧化钛、氧化铝、氧化钙含量高而其中碱性氧化物含量较少,因此不仅能产生屏蔽效应,而且在耐酸碱和耐腐蚀性能方面也有独特的优势。玄武岩鳞片防腐涂料突出的物理化学性能,可以替代玻璃鳞片用于石化行业、海洋船舶、桥梁、建筑等防腐领域,尤其是玄武岩稳定的耐高低温性能,以及优异的介电性和耐化学品性能,使其在国防军工方向很有发展前景。国内现在也仅在高速公路、铁路、民用建筑等很有限的领域内有部分实际应用,玄武岩鳞片涂料的研制开发将会具有较大的市场应用前景。玄武岩鳞片及重防腐玄武岩鳞片聚合物涂料,具有良好的综合性能和性价比,其前景看好。目前,国内尚无玄武岩鳞片的相关研究,国外也仅有俄罗斯、乌克兰等少数国家开发出同类产品。我国玄武岩资源丰富,品质好价格低,具有广泛的行业应用前景。

  玄武岩鳞片与金属、混凝土和树脂类都具有较高的粘接强度,工作温度最低可达-200 ℃,最高可达1 000 ℃,可以适应温差比较大、条件特别恶劣的特殊环境。另外,玄武岩鳞片添加到树脂中还可以产生特殊的“迷宫效应”,屏蔽性能好,耐酸碱性能优良,是集资源节约型、环境友好型、性能优良型于一身的高性能新型材料,目前玄武岩纤维在复合材料应用方面的研究较多,而玄武岩鳞片作为一种新型材料,国内尚无相关方面的报道。

  当前全世界只有俄罗斯、乌克兰拥有玄武岩鳞片的制造技术,具有垄断性的技术优势,俄罗斯产玄武岩鳞片片径较小,其尺寸分布在几微米到几十微米之间,而国产玄武岩鳞片的片径较大,相同放大倍数下的SEM照片视野内可见鳞片数量较少。从SEM照片中我们还可以看出2种玄武岩鳞片的厚度都比较薄。玄武岩鳞片聚合物涂料可以降低金属腐蚀速率8 ~ 9倍,水蒸气透过率可降低5 ~ 9倍,在防水耐水防腐蚀领域具有广泛的行业应用前景。

  由国产和俄罗斯产玄武岩鳞片能谱数据分析显示:2种玄武岩鳞片化学成分非常接近,俄罗斯产玄武岩鳞片铁的氧化物含量略高于国产玄武岩鳞片、钾的氧化物也略高于国产玄武岩鳞片。

  1)耐磨损:玄武岩鳞片涂层具有较高的显微硬度,在与基体树脂之间表面的互相摩擦运动过程中,可以减轻材料表面的磨损程度。

  2)耐高温氧化:玄武岩具有较高的熔点而且耐高温化学稳定性良好,由其制得的涂层也具有良好的耐高低温性能。

  3)耐腐蚀:玄武岩是一种无机材料,由于鳞片中铁氧化物含量比较高,耐酸、耐碱性能优异。

  4)低成本:玄武岩属于天然矿石,在我国的储量非常丰富并且价格较低,属于绿色环保型新型材料,与金属材料和金属氧化物等其他热相比经济成本较低。

  玄武岩鳞片添加到树脂中,可以将树脂分割成很多小的空间,有效改善树脂内部应力集中的现象,并且鳞片之间形成错层排列,可以使介质渗入变得迂回曲折,从而增加腐蚀介质扩散到基体树脂的路径和渗入基体的时间,从而提高涂层的防腐性能,但是玄武岩鳞片作为无机填料加入到树脂中,其密度大于树脂,且由于其表面惰性使得在树脂中的分散性和稳定性都比较差,容易沉降,与树脂间的界面作用比较差且玄武岩鳞片的排列方式难控制,会导致涂层的性能下降,因此,提高玄武岩鳞片在树脂中的分散性和界面效应,是提高玄武岩鳞片与树脂复合材料性能的关键,也是玄武岩鳞片防腐涂料的研究热点之一。

  提高玄武岩鳞片在树脂中的分散性需要对玄武岩鳞片进行改性,改善玄武岩鳞片与树脂之间的界面相容性,使玄武岩鳞片与树脂之间发生化学键合,可以通过偶联剂化学改性或者物理-化学法对玄武岩鳞片进行改性。

  吴宗汉等分别评述了玻璃鳞片、云母鳞片、石墨鳞片、玄武岩鳞片等防腐涂料的性能特点和应用情况。相比其他的鳞片涂料,玄武岩鳞片涂料中鳞片的片层结构使得腐蚀速率下降,相对于玻璃鳞片,玄武岩鳞片还由于较高的铁氧化物含量,具有更好的耐酸碱性能,特别是优异的耐高低温稳定性能,可以应用在工作温差比较大的恶劣环境中。

  传统的防污涂料主要是通过使用有毒物质的释放将污损生物杀灭,比如添加杀菌剂、铜或锌等。随着环保要求和人们对环境保护意识的增强,通过改变材料表面形貌和物理化学性质,寻找更加对环境友好的高效生物防污剂减少对海洋生物污损的方法越来越受到重视,也是未来防污涂料的研究重点。

  表面微观结构是通过改变材料表面的微观结构降低表面能,使海洋污损生物难以附着或者即使附着也比较容易清除。构建合适的微观粗糙结构可以降低表面能,一方面增加生物吸附的难度,另一方面使生物清除容易。

  利用玄武岩鳞片的曲折渗透性能和极强的耐酸碱性能,通过化学键、氢键作用将玄武岩鳞片与树脂复合,利用树脂材料的微相分离与鳞片的片层结构堆积组装成具有微纳米沟槽结构,这种微观沟槽结构在一定尺寸内可以使得材料表面微观粗糙程度增加,这种粗糙程度可以将大量的空气束缚在凸起处形成极薄的空气层,使水滴只能停留在微观结构的顶端,有效阻止了水分子的渗入。对于制备无硅无氟,防水防污多功能一体化的材料具有实际意义,可用于石油、献县涂料厂化工、船舶、桥梁、建筑、大坝等需要防污的领域。

  因此,伴随着玄武岩鳞片的表面改性,高性能树脂的研发和改性也是玄武岩鳞片防污涂料技术进步的一个新思路,因为具有微相分离的低表面能树脂与玄武岩鳞片有效结合是获得玄武岩鳞片防污涂层的技术关键。

  玄武岩原料生产能耗较低,以玄武岩鳞片及重防腐玄武岩鳞片聚合物涂料代替相对高能耗、高碳排放的其他同类产品,对我国建筑材料的结构调整、节能减排具有重要的意义,并可替代国外同类产品,降低对国外同类产品的依存度。

  玄武岩鳞片添加到树脂基体中可以提高涂层的防腐和防污性能,但是玄武岩鳞片作为无机填料,亲水疏油,密度也比基体树脂大,在树脂中的分散稳定性比较差,易沉降,并且鳞片的排布方式很难控制,与树脂间的界面作用也较差,提高玄武岩鳞片在基体树脂中的分散性和界面相容性,是提高玄武岩鳞片防腐防污涂层性能的关键。

  防腐涂层之所以能够防腐,是因为高性能树脂涂层的表面致密程度相对比较高,增加了介质渗入的阻碍,对介质的屏蔽作用好,因此也具有了很高的表面能,表面能高的涂层,防污效果比较差,表面浸润性强,亲水性好,涂层接触角会下降。既保证防腐性能又具有一定的防污性能是目前存在的问题也是今后主要研究的关键。

  鳞片防腐涂层的厚度对耐蚀性的影响也很大,当厚度过薄或玄武岩鳞片的尺寸过大时,反而会增加更多的腐蚀性介质扩散到基体的通道,当涂层逐渐增厚,鳞片形成的迷宫效应起到主导作用,有效防护会增加很多。

  由于玄武岩鳞片纯天然、环保、性能独特优异,在国民经济领域有着广泛的应用,是典型的资源节约型、环境友好型的新材料,科技含量及附加值较高,低碳化发展符合世界发展趋势。

  玄武岩鳞片制得的防腐涂料具有机械性能好、耐酸碱性能优良、耐候性好、使用寿命长等优势,可解决玻璃鳞片涂料机械强度低、耐候性差、耐酸腐蚀性能低等诸多问题,与透明的玻璃鳞片相比,深绿色的玄武岩鳞片还具有良好的抗紫外线性能,能更好地屏蔽紫外线对涂膜的破坏。作为一种新型环保型材料,玄武岩鳞片复合材料将会在民用建筑、船舶等绿色防腐防污领域提供一种全新的尝试,为节能降耗做出一定的贡献。

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