玄武巖鱗片在防腐防污涂料中的應(yīng)用及發(fā)展

玄武巖鱗片是一種新型鱗片材料，是選用性能優(yōu)良的天然玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融、澄清、均化成型、篩選等特殊加工工藝而成的新型材料，呈現(xiàn)透明或深綠色片狀結(jié)構(gòu)，厚度一般在3μm左右，尺寸一般在25μm ~ 3 mm左右。玄武巖鱗片由于玄武巖鱗片中鐵氧化物、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鈣含量高而其中堿性氧化物含量較少，因此不僅能產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)，而且在耐酸堿和耐腐蝕性能方面也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。玄武巖鱗片防腐涂料突出的物理化學(xué)性能，可以替代玻璃鱗片用于石化行業(yè)、海洋船舶、橋梁、建筑等防腐領(lǐng)域，尤其是玄武巖穩(wěn)定的耐高低溫性能，以及優(yōu)異的介電性和耐化學(xué)品性能，使其在國(guó)防軍工方向很有發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也僅在高速公路、鐵路、民用建筑等很有限的領(lǐng)域內(nèi)有部分實(shí)際應(yīng)用，玄武巖鱗片涂料的研制開(kāi)發(fā)將會(huì)具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。玄武巖鱗片及重防腐玄武巖鱗片聚合物涂料，具有良好的綜合性能和性?xún)r(jià)比，其前景看好。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)玄武巖鱗片的相關(guān)研究，國(guó)外也僅有俄羅斯、烏克蘭等少數(shù)國(guó)家開(kāi)發(fā)出同類(lèi)產(chǎn)品。我國(guó)玄武巖資源豐富，品質(zhì)好價(jià)格低，具有廣泛的行業(yè)應(yīng)用前景。

    玄武巖鱗片與金屬、混凝土和樹(shù)脂類(lèi)都具有較高的粘接強(qiáng)度，工作溫度最低可達(dá)-200 ℃，最高可達(dá)1 000 ℃，可以適應(yīng)溫差比較大、條件特別惡劣的特殊環(huán)境。另外，玄武巖鱗片添加到樹(shù)脂中還可以產(chǎn)生特殊的“迷宮效應(yīng)”，屏蔽性能好，耐酸堿性能優(yōu)良，是集資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、性能優(yōu)良型于一身的高性能新型材料，目前玄武巖纖維在復(fù)合材料應(yīng)用方面的研究較多，而玄武巖鱗片作為一種新型材料，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)方面的報(bào)道。

    1 國(guó)產(chǎn)與俄羅斯玄武巖鱗片對(duì)比

    當(dāng)前全世界只有俄羅斯、烏克蘭擁有玄武巖鱗片的制造技術(shù)，具有壟斷性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，俄羅斯產(chǎn)玄武巖鱗片片徑較小，其尺寸分布在幾微米到幾十微米之間，而國(guó)產(chǎn)玄武巖鱗片的片徑較大，相同放大倍數(shù)下的SEM照片視野內(nèi)可見(jiàn)鱗片數(shù)量較少。從SEM照片中我們還可以看出2種玄武巖鱗片的厚度都比較薄。玄武巖鱗片聚合物涂料可以降低金屬腐蝕速率8 ~ 9倍，水蒸氣透過(guò)率可降低5 ~ 9倍，在防水耐水防腐蝕領(lǐng)域具有廣泛的行業(yè)應(yīng)用前景。

    由國(guó)產(chǎn)和俄羅斯產(chǎn)玄武巖鱗片能譜數(shù)據(jù)分析顯示：2種玄武巖鱗片化學(xué)成分非常接近，俄羅斯產(chǎn)玄武巖鱗片鐵的氧化物含量略高于國(guó)產(chǎn)玄武巖鱗片、鉀的氧化物也略高于國(guó)產(chǎn)玄武巖鱗片。

    2 玄武巖鱗片的特性

    玄武巖屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)給予了它自身獨(dú)特的優(yōu)良特性。

    1）耐磨損：玄武巖鱗片涂層具有較高的顯微硬度，在與基體樹(shù)脂之間表面的互相摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以減輕材料表面的磨損程度。

    2）耐高溫氧化：玄武巖具有較高的熔點(diǎn)而且耐高溫化學(xué)穩(wěn)定性良好，由其制得的涂層也具有良好的耐高低溫性能。

    3）耐腐蝕：玄武巖是一種無(wú)機(jī)材料，由于鱗片中鐵氧化物含量比較高，耐酸、耐堿性能優(yōu)異。

    4）低成本：玄武巖屬于天然礦石，在我國(guó)的儲(chǔ)量非常豐富并且價(jià)格較低，屬于綠色環(huán)保型新型材料，與金屬材料和金屬氧化物等其他熱相比經(jīng)濟(jì)成本較低。

    3 玄武巖鱗片在涂料中的應(yīng)用

    3.1 在防腐涂料中的應(yīng)用

    玄武巖鱗片添加到樹(shù)脂中，可以將樹(shù)脂分割成很多小的空間，有效改善樹(shù)脂內(nèi)部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且鱗片之間形成錯(cuò)層排列，可以使介質(zhì)滲入變得迂回曲折，從而增加腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散到基體樹(shù)脂的路徑和滲入基體的時(shí)間，從而提高涂層的防腐性能，但是玄武巖鱗片作為無(wú)機(jī)填料加入到樹(shù)脂中，其密度大于樹(shù)脂，且由于其表面惰性使得在樹(shù)脂中的分散性和穩(wěn)定性都比較差，容易沉降，與樹(shù)脂間的界面作用比較差且玄武巖鱗片的排列方式難控制，會(huì)導(dǎo)致涂層的性能下降，因此，提高玄武巖鱗片在樹(shù)脂中的分散性和界面效應(yīng)，是提高玄武巖鱗片與樹(shù)脂復(fù)合材料性能的關(guān)鍵，也是玄武巖鱗片防腐涂料的研究熱點(diǎn)之一。

    提高玄武巖鱗片在樹(shù)脂中的分散性需要對(duì)玄武巖鱗片進(jìn)行改性，改善玄武巖鱗片與樹(shù)脂之間的界面相容性，使玄武巖鱗片與樹(shù)脂之間發(fā)生化學(xué)鍵合，可以通過(guò)偶聯(lián)劑化學(xué)改性或者物理-化學(xué)法對(duì)玄武巖鱗片進(jìn)行改性。

    吳宗漢等分別評(píng)述了玻璃鱗片、云母鱗片、石墨鱗片、玄武巖鱗片等防腐涂料的性能特點(diǎn)和應(yīng)用情況。相比其他的鱗片涂料，玄武巖鱗片涂料中鱗片的片層結(jié)構(gòu)使得腐蝕速率下降，相對(duì)于玻璃鱗片，玄武巖鱗片還由于較高的鐵氧化物含量，具有更好的耐酸堿性能，特別是優(yōu)異的耐高低溫穩(wěn)定性能，可以應(yīng)用在工作溫差比較大的惡劣環(huán)境中。

    3.2 在防污涂料中的應(yīng)用

    傳統(tǒng)的防污涂料主要是通過(guò)使用有毒物質(zhì)的釋放將污損生物殺滅，比如添加殺菌劑、銅或鋅等。隨著環(huán)保要求和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，通過(guò)改變材料表面形貌和物理化學(xué)性質(zhì)，尋找更加對(duì)環(huán)境友好的高效生物防污劑減少對(duì)海洋生物污損的方法越來(lái)越受到重視，也是未來(lái)防污涂料的研究重點(diǎn)。

    表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)是通過(guò)改變材料表面的微觀(guān)結(jié)構(gòu)降低表面能，使海洋污損生物難以附著或者即使附著也比較容易清除。構(gòu)建合適的微觀(guān)粗糙結(jié)構(gòu)可以降低表面能，一方面增加生物吸附的難度，另一方面使生物清除容易。

    利用玄武巖鱗片的曲折滲透性能和極強(qiáng)的耐酸堿性能，通過(guò)化學(xué)鍵、氫鍵作用將玄武巖鱗片與樹(shù)脂復(fù)合，利用樹(shù)脂材料的微相分離與鱗片的片層結(jié)構(gòu)堆積組裝成具有微納米溝槽結(jié)構(gòu)，這種微觀(guān)溝槽結(jié)構(gòu)在一定尺寸內(nèi)可以使得材料表面微觀(guān)粗糙程度增加，這種粗糙程度可以將大量的空氣束縛在凸起處形成極薄的空氣層，使水滴只能停留在微觀(guān)結(jié)構(gòu)的頂端，有效阻止了水分子的滲入。對(duì)于制備無(wú)硅無(wú)氟，防水防污多功能一體化的材料具有實(shí)際意義，可用于石油、化工、船舶、橋梁、建筑、大壩等需要防污的領(lǐng)域。

    因此，伴隨著玄武巖鱗片的表面改性，高性能樹(shù)脂的研發(fā)和改性也是玄武巖鱗片防污涂料技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)新思路，因?yàn)榫哂形⑾喾蛛x的低表面能樹(shù)脂與玄武巖鱗片有效結(jié)合是獲得玄武巖鱗片防污涂層的技術(shù)關(guān)鍵。

    玄武巖原料生產(chǎn)能耗較低，以玄武巖鱗片及重防腐玄武巖鱗片聚合物涂料代替相對(duì)高能耗、高碳排放的其他同類(lèi)產(chǎn)品，對(duì)我國(guó)建筑材料的結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能減排具有重要的意義，并可替代國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，降低對(duì)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的依存度。

    4 存在的問(wèn)題

    玄武巖鱗片添加到樹(shù)脂基體中可以提高涂層的防腐和防污性能，但是玄武巖鱗片作為無(wú)機(jī)填料，親水疏油，密度也比基體樹(shù)脂大，在樹(shù)脂中的分散穩(wěn)定性比較差，易沉降，并且鱗片的排布方式很難控制，與樹(shù)脂間的界面作用也較差，提高玄武巖鱗片在基體樹(shù)脂中的分散性和界面相容性，是提高玄武巖鱗片防腐防污涂層性能的關(guān)鍵。

    防腐涂層之所以能夠防腐，是因?yàn)楦咝阅軜?shù)脂涂層的表面致密程度相對(duì)比較高，增加了介質(zhì)滲入的阻礙，對(duì)介質(zhì)的屏蔽作用好，因此也具有了很高的表面能，表面能高的涂層，防污效果比較差，表面浸潤(rùn)性強(qiáng)，親水性好，涂層接觸角會(huì)下降。既保證防腐性能又具有一定的防污性能是目前存在的問(wèn)題也是今后主要研究的關(guān)鍵。

    鱗片防腐涂層的厚度對(duì)耐蝕性的影響也很大，當(dāng)厚度過(guò)薄或玄武巖鱗片的尺寸過(guò)大時(shí)，反而會(huì)增加更多的腐蝕性介質(zhì)擴(kuò)散到基體的通道，當(dāng)涂層逐漸增厚，鱗片形成的迷宮效應(yīng)起到主導(dǎo)作用，有效防護(hù)會(huì)增加很多。

    5 應(yīng)用前景

    由于玄武巖鱗片純天然、環(huán)保、性能獨(dú)特優(yōu)異，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是典型的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的新材料，科技含量及附加值較高，低碳化發(fā)展符合世界發(fā)展趨勢(shì)。

    玄武巖鱗片制得的防腐涂料具有機(jī)械性能好、耐酸堿性能優(yōu)良、耐候性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，可解決玻璃鱗片涂料機(jī)械強(qiáng)度低、耐候性差、耐酸腐蝕性能低等諸多問(wèn)題，與透明的玻璃鱗片相比，深綠色的玄武巖鱗片還具有良好的抗紫外線(xiàn)性能，能更好地屏蔽紫外線(xiàn)對(duì)涂膜的破壞。作為一種新型環(huán)保型材料，玄武巖鱗片復(fù)合材料將會(huì)在民用建筑、船舶等綠色防腐防污領(lǐng)域提供一種全新的嘗試，為節(jié)能降耗做出一定的貢獻(xiàn)。

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