防蝕奈米塗裝於金屬表面處理之應用

 

刊登日期:2019/1/5
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據統計,因腐蝕帶來的經濟損失約占全球國家GDP的3%到4%。鑑於巨大的經濟效益,防腐蝕技術的發展一直以來都是各國非常重要的課題。在現代工業中,開發和使用的先進材料需要越來越複雜的塗層,以改善性能和耐用性,而奈米技術在支持塗料產業的創新技術進步中扮演了重要的角色。隨著奈米塗裝技術在金屬防蝕應用的發展,大大提升了金屬的耐腐蝕性及表面性能。
 
本文將從以下大綱,介紹奈米塗料的作用及各種表面處理應用。
‧防蝕奈米塗料的需求及市場
‧奈米薄塗應用於金屬預塗/轉化塗裝
‧奈米薄塗應用於汽車配件及緊固件
‧奈米粒子合成技術的瓶頸與突破
‧奈米塗裝應用於合金材料
 
【內文精選】
防蝕奈米塗料的需求及市場
一些金屬與合金(如鋼鐵、鋁和鎂)被廣泛使用在運輸工具、車輛及建築相關的機構及維護。為了避免腐蝕造成相關安全問題及經濟損失的風險,常會有在金屬進行防腐蝕處理的需求。依據Zion Market Research調查,2017年全球防蝕塗料市場價值為247億美元,並預計以每年5.6%的速度成長,在2024年達到362億美元。
 
近年奈米粒子在奈米防蝕塗料中應用技術的成長,為金屬耐腐蝕性能的提升提供了一個良好的解決方案。它提供了金屬表面的阻隔性、陽極和陰極保護,並增強了黏合特性。由於其獨特的性質,如滲透性及高化學反應性,奈米顆粒能夠滲透至金屬表面的缺陷中,進行填補及產生化學反應,並在表面上構建一均勻且緻密的防護膜。另外,這些奈米塗料最顯著的優點之一,是它們不含強烈致癌的化學抑制劑(如鉻酸鹽),能避免使用鉻酸鹽而可能導致過度消耗和各種環境危害的問題。
 
奈米薄塗應用於金屬預塗/轉化塗裝
在過去的技術中,金屬表面常使用磷酸鹽處理,這樣的處理能提高與塗料之密合性,並具有對於各種後段塗裝穩定的底層保護性能。然而磷酸鹽處理的耐蝕性不足,因此,通常於磷酸鹽處理後施行稱為「密封處理」之封孔處理,使其表面產生鉻酸鹽之鈍化層,藉由此處理而提高耐蝕性。
 
如圖一所示,奈米薄塗為包含了20~100 nm活性奈米粒子所組成的塗料。這些奈米粒子可以滲透至金屬表面的微裂紋或缺陷之中進行封孔,提供更好的耐蝕性。同時,奈米粒子的活性表面可以和金屬產生不易破壞的化學鍵結,提供良好的薄膜結合力(圖二)。
 
圖一、奈米薄塗層作用於金屬表面示意圖
圖一、奈米薄塗層作用於金屬表面示意圖
 
與一般樹脂不同,奈米薄塗不需要透過表面錨定來提升附著性,而是自身滲透至表面缺陷中填補及產生化學反應,因此可以大幅提高金屬的防蝕能力。此外,應用於高分子複合塗料,將如奈米鋅、奈米矽鋁等奈米粒子作為添加物或改質劑,對耐蝕性及附著性也會有明顯的提升。圖四為我們找尋四種不同的水性高分子系統,比較添加前/後耐鹽霧測試時間(添加量為相對於樹脂量的30%)。可以發現在經過添加/改質後的塗料,耐蝕性有明顯且大幅的提升。
 
奈米塗裝應用於合金材料
在市場上常用的防蝕塗裝, 包含重防蝕塗裝(膜厚>100 µm)、粉體塗裝(膜厚~60 µm)、金屬烤漆(膜厚~40 µm)、電著塗裝(膜厚10~20 µm),皆是技術相當成熟、並各自擁有其市場占有率。在技術開發時程較晚且市場應用尚未成熟發展的情況下,了解奈米塗裝的特色並進行差異化是相當重要的。
 
表二為亞中公司二種不同類型的防蝕奈米塗料直接塗裝於各種合金材料上,所測得的耐蝕性比較表。有機-無機複合塗料及奈米複合塗裝在鋁合金跟不鏽鋼等合金材料上,只需要5~10 µm的塗層就能提供極佳的耐蝕保護。而在鎂合金的防蝕應用上,由於鎂的低氧化電位、高活性等缺點,使得塗料在鎂合金的應用上經常出現如圖十一所顯示的問題。
 
如圖十四可見,一般鋁合金大約在48~72鹽霧小時產生鏽蝕;經由鋁鈍化(三價鉻)處理後,可以將耐蝕性提升到120~168鹽霧小時。一般陽極處理可以將鋁合金的鹽霧時間提高到336小時以上;但如果需要非常優異的防蝕性能,那可能要使用到硬質陽極處理,形成極厚的陶瓷氧化膜,來提供達到1,500小時的耐蝕性;或可以更節省的方式,使用奈米塗裝在金屬表面上形成一膜厚5~10 μm緻密的保護層,提供高達2,000小時以上的耐蝕性能…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十四、鹽霧(NSST)以及生產流程比較(鋁基板)
圖十四、鹽霧(NSST)以及生產流程比較(鋁基板)
 
作者:洪壽懋/亞中實業股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」385期,更多資料請見下方附檔。

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