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抵御腐蚀的“防弹衣”——新型船用防腐涂料发展现状及标准需求研究

发布时间:2021-05-14 10:37:56

引言

近年来,船舶安全、绿色和经济运行得到了国际海事界的广泛关注。腐蚀和污损防护的成本在整个船舶维护成本中占近三分之一,是船舶建造、营运、维护等过程中的关键环节。涂料是船舶和海洋结构腐蚀控制的重要手段,随着新材料技术的快速发展,新型防腐材料及防腐技术不断涌现,为船舶防腐效能的提升提出了新的解决方案。目前,除环氧树脂和聚氨酯类防腐涂料外,石墨烯防腐涂料、超疏水涂料以及自修复防腐涂料等新材料的研究也在不断突破,并逐步加快产业化应用步伐,对于制定完善配套标准也提出新的发展需求。

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船用防腐新材料技术进展

1.1 环氧树脂防腐涂料

环氧树脂是在涂层腐蚀防腐领域中应用最为广泛的一种材料,目前,以环氧树脂为基体的船舶防腐新材料主要包括高固含量涂料和水性涂料两种类型。

1.高固含量涂料

高固含量涂料是指在施工条件下,固体含量在70%以上的涂料体系。高固含量涂料体系中的挥发性有机化合物(VOC)含量较低,固化后涂层的致密性更高,具有优异的耐候性、机械强度等。同时,较低的VOC使用也符合日前涂层领域绿色环保的要求,因而具有较广阔的使用前景。

2.水性涂料

水性化是涂料研发的另一个重要方向,采用水代替有机溶剂可以进一步降低VOC排放,实现涂料的无溶剂化。对节能减排以及保护环境等具有重要的研究意义。目前,国内外不断有关于水性环氧的新合成技术以及防腐产品推出。

1.2 聚氨酯防腐涂料

聚氨酯防腐涂料是一类高固含量、低VOC的涂料体系,涂料的耐磨性、低温柔顺性等性能优良。随着对聚氨酯涂料的研究不断深入,改性后的聚氨酯防腐涂料耐腐蚀性能已逐步提高,已成为除环氧树脂之外,应用最为广泛的腐蚀防护材料之一。与环氧树脂类似,聚氨酯类腐蚀防护新材料也在朝着无溶剂化的方向发展。

1.3 石墨烯防腐涂料

石墨烯享有21世纪材料之王的美誉,作为填料添加到涂层体系中,可以极大地提升涂料的耐腐蚀性。石墨烯本身是一种疏水材料,在涂料中层层叠加的二维的石墨烯片层结构可以形成致密的物理隔绝层,从而有效地抑制水分子透过涂料到达金属表面,降低腐蚀发生的几率和程度。

1.4 超疏水涂料

超疏水表面膜层中的空气可有效抑制金属基底与腐蚀介质的直接接触,从而降低腐蚀速率,起到腐蚀防护的作用,同时,超疏水表面以其特有的自清洁效应,使附着在金属表面的盐粒潮解滑移,因此,在腐蚀防护领域具有广阔的应用前景。

1.5 自修复防腐涂料

2012年,NanoSonic公司在美国海军小企业创新研究计划的资助下,开发并验证了一种自修复防腐涂层HybridSil,该涂层在破损后能快速自我修复。该防腐涂层是一种单组分的环保涂层,在经受5个多月的盐雾环境而不发生任何腐蚀迹象。在海洋环境下使用期效超过12个月。截至2014年,这种自修复防腐涂层通过了腐蚀认证(ASTM G44GM9540PASTM B117),并进行了海上试验,未来可成为船舶防腐涂层新的应用方向。

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船用防腐涂料标准现状

2.1 国际国外标准

在国际国外标准方面,防腐涂料相关标准主要涉及腐蚀防护表面处理、防护涂层及检验方法、涂层性能及试验方法等领域,例如,表面处理和保护涂料相关的NORSOKM-501标准,涂层体系性能相关的ISO 20340标准以及评价涂层对钢结构防护效果的ISO 12944标准等。

2.2 国内标准

在国内标准方面,船舶涂装腐蚀防护标准主要包括船用涂料类标准、涂装表面处理标准、涂装施工标准、涂装质量及检测标准等,涵盖了船舶涂装腐蚀防护的各个阶段,其中,船用涂料按使用部位不同分为船壳涂料标准、船舱涂料类标准和甲板涂料标准等,均为国家标准。

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新型船用防腐涂料标准需求研究

3.1 满足绿色、环保需求的标准

随着环境保护法规日趋严格,对防腐涂层中有害污染物的使用量限制将不断提高。目前,对海洋生物有污染的沥青基环氧树脂使用量已逐步下降,未来对涂料体系中其他污染的用量的限制也会进一步增加。2009年,美国海军修订MIL-PRF-23236D《舰船结构防腐涂层性能标准》中规定,应用于内舱的涂料VOC含量小于250g/L,而用于饮水舱的涂料VOC含量应小于150g/L,对于绿色环保提出了进一步要求。

顺应绿色发展趋势,对于新型船舶防腐标准研制,应重点关注绿色、环保要求,特别是涂料中VOC含量要求,同时评估涂层体系中材料组分用量对海洋生态系统的影响,为船舶防腐的绿色化提供新的标准化解决方案。

3.2 提升工艺性能质量标准

涂装质量与最终的工程质量密切相关,在新的船舶防腐材料中,无论是高固含量涂料还是水性涂料,涂层的组分改变都会对涂料的施涂性能造成影响。因此,新型涂料应用和标准研制应重点关注涂层的涂敷工艺性能。

对于高固含量涂料体系,随着VOC含量的降低,涂料的粘度也会相应增大。粘度增大时,涂料的涂层的施涂性能也会相应下降,施工难度增加会对涂层的涂装质量造成影响。因此,在高固含量涂料标准研究中,除规定涂料应该达到的VOC含量之外,还应该重点对涂料的粘度、流变形、触变性、涂料的固化速率、施涂时间、涂层的表干时间等加以研究,以保证高固含量涂层的涂装质量。

对于水性化的涂料体系,由于油性的高分子材料在水溶液中的分散状态并不稳定,在一定条件下会产生油水分离,造成涂料的失效。因此,针对水性涂料标准,应重点对涂料的运输、储存环境、乳液中涂料液滴的平均粒径、涂料允许的最短施工时间等加以研究,以保证涂料拥有较好的施涂性能。

3.3 新型防腐涂料制备及检测标准

通过添加填料的方式对材料进行改性,已经成为应用最为广泛的防腐涂料制备方法之一。随着防腐新材料研究的不断深入,填料的种类会不断复杂,因此,对防腐新材料标准的研究,应重点关注材料性能指标要求下的材料制备和检测要求。例如,石墨烯材料在涂料中的分散性极大程度上决定了涂料的防腐性能,制定出有关石墨烯填料在涂层中分散情况的标准检测方法,可以很大程度上保证涂层的防腐性能。与石墨烯类似,对涂料中各种填料在涂层中的分散均匀程度进行标准化规定,对节省填料用量,避免能源浪费,保证涂层质量等方面都有重要的研究意义。

结语

船舶涂料作为抵御腐蚀的“防弹衣”,是保障船舶建造质量、延长船舶使用寿命、实现高效安全运营的重要环节对于具有重要作用。

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