严酷环境条件下钢铁暂时性防护的研究现状

陈俊欢 张书弟 高欣

摘      要：综述了高温、高湿、高氯离子的严酷环境下腐蚀防护的研究现状及意义，简要分析了大气环境下影响钢铁腐蚀的因素，介绍了严酷环境下对钢铁腐蚀防护的几种新型暂时性防护材料，并对今后严酷环境下几种常用金属防腐蚀方法的发展进行了展望。

关  键  词：严酷环境;金属腐蚀;暂时性防锈材料

中图分类号：TQ 95       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）01-0081-04

Abstract：  The research status and significance of corrosion protection under severe environment of high temperature， high humidity and high chlorine ion were reviewed， and the factors influencing corrosion of iron and steel in atmospheric environment were briefly analyzed. Several new temporary protective materials for iron and steel corrosion protection in severe environment were introduced， and the development of several common metal corrosion protection methods in severe environment in the future was prospected.

Key words： Severe environment; Metal corrosion; Temporary antirust material

1  嚴酷环境条件下钢铁暂时性防护的研究现状

我国沿海地区金属材料处于高温、高湿、高盐雾、多降水、多雷暴的恶劣环境，金属防腐受到严酷挑战。在大陆及海洋季风气候的影响下，沿海地区降水量多，年均相对湿度普遍在60%～90%范围内，当相对湿度大于80%时腐蚀速度明显加快。海风、海浪的综合作用使沿海地区的含盐量大大提高，氯离子含量越高，对金属及非金属基体的侵蚀性越强，钝化膜越容易破坏，导电性越好，腐蚀速率越大，加重了金属基体的腐蚀。高强度日光照射引起强烈的紫外线照射，使得钢铁材料老化加快、机械强度下降，基体的抗腐蚀性能大大降低。台风产生的海面风力和风应力涡度，使钢铁基体机械强度下降，伴随的雷雨风暴天气也会加速基体的化学反应，使腐蚀更加严重。近几年来，雾霾大气、温室效应加剧了材料生存环境的恶化，雾霾中海盐气溶胶破坏钢铁材料的表面，加剧了钢铁的腐蚀，特别是近海高湿热、高盐的大气环境下，海盐气溶胶中氯离子含量较高，对钢铁材料表面的破坏作用更加强烈[1-4]。

金属在严酷海洋环境下长期遭受海水、海浪及海底微生物的浸蚀，引起海洋基础设备失去强度，造成重大事故，这不仅对海洋安全工程造成了威胁，而且对发展经济带来了损失。在2016年3月，对全球腐蚀进行考察，考察报告显示，世界因金属腐蚀而产生的平均经济损失约是全球GNP的3.4%，其中海洋腐蚀经济损失所占比例较大，达到了总腐蚀损失的1/3。若腐蚀科技工作者积极吸取国内外金属防腐蚀经验，采取高效经济的防护方法，减少腐蚀损失可达25%～40%。但是我国对金属防护的重视程度低，因此为提高人们的防腐蚀意识，近年来很多学者积极开展了腐蚀调查，使人们对金属腐蚀危害有了深刻的认识[5]。

在全国13个典型的大气环境腐蚀试验站，丁国清在2006年10月进行2个周期的暴露实验，对碳钢和低合金钢进行了测试。发现金属在拉萨、敦煌等气候干燥环境下的试验站点，发生的是均匀的全面腐蚀，并未发现明显蚀孔;但在青岛、江津等严酷环境的腐蚀试验站点，在高温、高湿、高盐环境下发生不均匀的全面腐蚀，且出现密集的蚀孔点，但并未发生严重腐蚀穿孔。为了在不同环境下对金属基体选出最有效的防护措施，需逐步完善大气腐蚀数据库（尤其是海洋大气环境下），建立对应的腐蚀监控和检测实验站，同时建立腐蚀防护技术示范基地[6]。

针对不同的防护需求，开发钢铁缓蚀性能优异的防锈材料及其性能检测技术、腐蚀监测技术、防护材料修复技术等[5]。在这种情况下我们必须重视气相防锈纸等的研究开发工作，使其能够适应在高温高湿的严酷大气环境中保护金属免于腐蚀。如本项目选取模拟湛江高温、高湿、高氯离子的严酷环境研究出新型高效的气相防锈纸，湛江是我国一个重要的军事基地，气候属于海洋性季风气候，年平均气温约22.8 ℃，年降水量达2 000 mm左右。湛江海域大气具有高温、高湿、高氯离子的特点，因此海洋大气中金属材料的腐蚀现象十分严重。同时由于沿海大开发及国防建设的需要，湛江工程建设迅速发展，建设所需要用的金属材料的防腐蚀问题急需解决。为缩短在湛江海洋大气环境下金属材料腐蚀的周期，并准确预测金属材料的使用周期，研发出加速金属腐蚀试验方法和理论模型，这对以后建设材料的选取及使用年限提供科学的依据，还可以进一步积累不同环境下的腐蚀数据[7]。

2  新型防锈材料

金属防护包装材料可采用防锈粉、气相防锈纸、复合纸、气相防锈塑料薄膜、铝塑复合膜、 普通塑料膜和多层共挤/复合膜、气相防锈油、气相防锈涂料等进行防锈包装，其中气相防锈纸、气相防锈塑料薄膜、可剥性环保塑料，防锈油在实际生产中因其各自的特点得到广泛的应用。同时我们也可对金属及非金属零件采取干燥空气或充氮的密封包装进行暂时性防护，用干燥剂吸除致锈因素水，充入惰性气体排除致锈因素水和氧，最后再对材料进行常规密封包装或用刚性、柔性材料制成密封包装（表1）[8-10]。

气相防锈纸 在牛皮纸等优质防锈原纸浸涂高效的气相缓蚀剂，干燥后即可形成气相防锈纸，气相缓蚀剂的用量为5～8 g/m2。气相防锈纸是高效、低毒、经济的新型防锈材料，当与其他防锈材料一起使用时，防护性能更加优异。目前研发出一种可喷涂到防锈纸上的水性气相防锈涂料，自动挥发出气相缓蚀剂，不仅增加了纸的韧性和强度，还因形成的一层防水膜而具有防水性能。

气相防锈油 在切削油、润滑油加入气相缓蚀剂形成了具有润滑和防锈双重作用的气相防锈油，是目前使用范围较广的气相防锈技术之一，不仅耐蚀性优异，还具有极强的附着力。

气相防锈涂料 由水性高分子树脂聚合物乳液和气相缓蚀剂 构成，或有机树脂聚合物和气相缓蚀剂构成。将涂料和被包装的金属封存在密闭环境中，  它具有涂层的性能，同时有效地抑制了金属的腐蚀。代替了直接涂刷油漆的传统方法。

气相防锈塑料膜 以塑料薄膜为载体，加入气相缓蚀剂，经过挤压吹塑工艺、采用涂覆形成了气相防锈膜，具有高阻隔性、多功能性。优异的气相防锈膜的防锈期较长，可达到10 a。加入恒温、恒湿材料后还能根据环境的变化自动调节温度和湿度，以达到防锈的目的。

目前暂时性防护普遍使用VCI技术包装，可以实现再回收再利用，产品的生产更经济更环保，因此积极研发新型的VCI防锈材料。重点介绍以下几种气相防锈材料研究现状及其新型材料。

2.1  气相防锈油

近年来，防锈油的发展很快，目前研究发现性能较出色的有SM-1蜡膜防锈油，此种防锈油油基稳定，抗盐雾和耐候性好、防锈性好、使用方便;超薄型防锈油，防锈性好，易涂覆，用量省;PS 1034 型室外防锈油的挥发性良好，挥发后可以在金属表面形成一层虽然薄但抗冲击性能良好的蜡状保护膜，而且在严酷环境下具有很强的抗腐蚀性[11]。

2.2  气相防锈可剥涂料

通过涂浸工艺将可剥性防锈涂料涂抹到金属材料表面，在常温下快速形成一层高阻隔、可剥性保护膜，快速剥离后对金属材料没有影响。李志广等人开发了一种可剥的防锈涂料与气相缓蚀剂共同作用的新型防锈材料，它的主要成膜材料是环氧树脂和乙烯基树脂，复合型油溶性气相腐蚀抑制剂，丙二醇苯醚为成膜助剂，优化各种主要添加剂的最佳用量及配比。结果表明该涂料不仅在常温下能快速成膜，还具有优良的防锈性能，使用后能够大面积地剥落。而且这种涂料可在不同的海洋环境中进行短期防锈。任雅勋研制了一种常温固化和耐酸、耐碱、耐盐、耐水和耐霉菌的可剥性防锈涂料，该涂料以过氯乙烯树脂为基料，邻苯二甲酸二丁醋和非溶剂型的植物油混合物的比例是1：1，作为增塑剂使用，选择了一种性能优良的复合型缓蚀剂、润滑剂等其他助剂。实验证明该涂料具有良好的耐蚀性能，使用后涂层能够快速剥除且对基体基本无伤害[2，12-15]。

2.3  气相防锈纸

气相防锈纸具有以下特点：防锈期长，一般2～3 a，金属制品封存10 a以上可依然光亮如初;操作简单、使用方便，只要将金属制品包裹好，再加上密封即可;使用成本低，与其他防锈包装材料相比可节约成本30%～50%;使用范围广，对单一金属、有色金属、多种金属组合件都有良好的气相防锈效果;改善包装环境，无毒无害，避免了油、塑料污染，产品包装清洁美观;它不包含六种重金属，满足RoHS指令[9，12]。

具有POP 结构的新型防锈包装材料，由气相防锈纸与集体淋膜层、BOPP预印膜等复合而成，适用于大型、重型金属防护，与常規的气相防锈纸比，这种新型材料因加入BOPP 膜，不仅提高强度和阻隔性，还具有防潮功能，同时使防锈纸具有精美的外观效果[16]。

钱和革研究了一种新型环保防锈纸用气相缓蚀剂，原料有乌洛托品、山梨酸钾、钼酸钠、磷酸氢二铵、硼酸钠、硫代硫酸钠、乙二醇乙醚等，并将改性后的沸石粉加入，主要利用其多孔的结构，大大提高了目前常用用的气相缓蚀剂缓蚀能力[17]。

2.4  气相防锈塑料薄膜

常规的气相防锈膜防锈时间是4 a左右，在气相缓蚀剂的作用下，新型防锈膜的使用期限是原来的3倍左右。因为气相防锈塑料薄膜具有可回收利用的特点，符合环境与经济可持续发展的要求，近年来在我国发展迅速、应用广泛。

目前研发出的新型气相防锈塑料薄膜有：加入抗静电剂形成的抗静电型气相防锈塑料薄膜;将高强材料进行复合，制成具有高拉伸强度、高撕裂强度的复合增强型薄膜;多层压缩或复合制备的高阻隔膜，具有高阻隔性、低透湿性和低渗透性的特点;为使废弃材料在一定自然环境下能降解而研发了降解性塑料薄膜;将编织布与气相防锈膜复合，在真空环境下通过铝箔镀铝就形成了铝塑复合气相防锈膜，不仅具有良好的缓蚀性能，还具有一定的强度和阻隔作用[18]。

3  防锈材料的发展趋势

为了满足我国环境与经济的可持续发展的要求，研究绿色环保的防锈材料成为一大发展趋势，所以，我们要吸取外国的创新经验，引进新型防锈技术，积极研发高效、低毒、价廉的新型气相防锈纸。防锈纸应该不单单具备优异的防锈功能，还应该一定耐应力性能，涂覆缓蚀剂后不易破损暴露金属。研发通用型、环保型气相防锈纸，并且进一步提高压敏胶通用型防锈纸的缓蚀性能。建立统一标准，企业按照自定的企业标准从本厂产品角度研发，经常出现生产厂与使用厂矛盾，从而影响防锈、包装质量[9，19，20]。

根据国际产品发展形式，着重研发无亚钠 VCI气相防锈膜产品，增加气相防锈膜产品树脂形式多元化、产品结构多样化，如多层复合结构、不同材质的气相防锈膜制品。也可通过改变添加剂配方改善薄膜的性能、外观、气味方面问题，如加入功能性成分，进一步增加膜层的阻隔性和强度。由于纸塑复合防锈纸材料难剥离，难再回收利用，对林业造成了巨大浪费，可大力发展可以再回收和再利用的新型全塑结构的气相防锈塑料薄膜，可降解，符合绿色环保的要求[21-23]。

气相缓蚀剂的缓蚀效果直接影响VCI防锈材料的防锈性能，近10年来我国对气相防锈剂的研究生产从模仿外国产品到自主创新研发产品迈出了很大一步， 对节约金属腐蚀而造成的巨大经济有很大的贡献。由于目前缓蚀剂的毒性大、功能添加剂的用大，且防锈效果不能明显提高，因此研发高效环保的新型缓蚀剂也是重点方向，目前混合型缓蚀剂易造成非金属结构的老化和损坏，而且也会引起其他金属的腐蚀，还因涂布量过高导致价格贵的问题，应重点发展复合型气相缓蚀剂，使其对亲和的金属优先吸附;低聚型或缩聚型气相缓蚀剂，是高效多功能缓蚀剂，另外该类缓蚀剂由于是聚合物相对于单体毒性会低很多，并且与各载体相容性好等优点 [9，17，20，25]。

参考文献：

[1]马长李，马瑞萍.我国沿海地区大气环境特征及典型沿海地区大气腐蚀性研究 [J] .装备环境工程， 2017，14（8）：65-69.

[2]陈群志，鞠明.严酷环境下飞机外场腐蚀防护对策与措施[J].装备环境工程，2017，14（3）：01-07.

[3]王德，钱昂.浅析航空装备远海环境适应性保障措施的改进[C].首届航空保障设备发展论坛，2017-08.

[4] 黄雨舟，董丽华. 铝合金深海腐蚀的研究现状及发展趋势[J].材料保护，2014， 47（01）：44-47+54.

[5]侯保荣，王鹏.海洋腐蚀防护的现状与未来[J].中国科学院院刊，2016，31（12）：1326-1331.

[6]丁国清，杨万国.钢在自然大气环境中的不均匀腐蚀行为[J].腐蚀与防护， 201435（06）：541-545.

[7] 龚田太郎.典型金属材料海洋环境大气暴露试验与实海加速腐蚀试验相关性研究[D].2015-12.

[8] ZhangDQ， GaoLX. Oligomeric Volatile Corrosion Inhibitors for Shipyard Installations [ J]. Materials Performance ，2003 ，42（ 3）： 40-43.

[9]张大全.气相防锈材料的开发与应用[J].腐蚀与防护，2007，28（07）：325-336.

[10]杨学群，邸锐.长效气相金属防锈包装纸的研制[J].纸和造纸， 2009， 28（10）：04-05.

[11] 夏海明，李祥松.钢材的防锈和除锈技术及其应用[J].全面腐蚀控制， 2016， 30（02）：35-37.

[12]李志广，黄红军.一种可剥性气相防锈涂料的研制[J].材料保护，2006，36（2）：42-44.

[13]李志廣，黄红军.可剥性气相防锈涂料在海洋环境中的防锈实验研究[J].装备环境工程，2006，13（2）：47-49，60.

[14] 任雅勋.常温固化可剥性防锈涂料的研制[C].第五届全国表面工程学术会议论文集，2004：257-259.

[15]谢长琼，何智宇.可剥性涂料的研究现状及展望 [J].化工新型材料， 2013，41（07）：1-2，9.

[16]孙凯，周红.一种新型气相防锈包装材料-POP结构气相防锈材料[J].塑料包装，2015 ，25（03 ）：55-60.

[17]徐红霞.新型防锈纸用气相缓蚀剂[J].中华纸业， 2016， 37（22）：62-63.

[18]刘宏，唐艳秋.气相防锈包装材料的绿色设计[J].绿色包装，2016，01（001）：31-34.

[19]孙美姣.气相防锈纸的制备与研究[D].天津科技大学，2015.

[20]黄颖，曹磊.环保型金属包装用气相防锈纸的研究[J].包装工程，2010，31（01）：52-53.78.

[21]孙凯.气相防锈塑料薄膜的发展趋势及改进方向[J].塑料包装，2014，24（03）：04-07.

[22]邓亚男，孙 凯. 浅谈气相防锈塑料包装材料[J].塑料包装，2017， 27（01）：29-31.

[23] 陈群. VCI塑料防锈膜在冷轧钢卷包装中的应用研究[J].机械工程师，2015，4：171-172.

[24]白松泉，宋喆. 盐水的腐蚀机理及缓蚀剂的研究[J].当代化工，2015， 44（03）：484-486.

[25] 崔爽.气相防锈包装技术及其发展[J].包装工程2009，30（04）：90-92.