自癒合塗料市場與技術現況

 

刊登日期:2019/1/5
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都市建設使用大量金屬構件材料,也帶動金屬防蝕塗料的快速成長。以近年成長快速的中國大陸與印度為例,金屬防蝕塗料產值年成長4~6%,因此先進、長壽命、易維護的防蝕塗料乃成為國際塗料大廠共同的研發方向,而其中自癒合塗料更是近年來學術界與業界均相當重視的未來趨勢。
 
本文將從以下大綱,深入介紹自癒合塗料相關的市場與技術現況。
‧前言
‧自癒合金屬防蝕塗料的需求
‧自癒合金屬防蝕塗料微包覆的設計
‧工研院在自癒合塗料的發展現況
 
【內文精選】
前言
金屬防蝕塗料暴露在許多不同的環境因子下(如陽光、雨、熱、鹽類、風沙等),這些都可以藉由初始的塗裝材料設計,來滿足不同腐蝕環境的需求。金屬防蝕塗料遭局部損傷時(圖一),由於損傷區會產生大量Fe2+鐵離子,而形成局部陽極(Anode),對比塗裝未損傷區因為水氣及氧氣滲入到塗層與金屬界面,累積大量的OH-氫氧根離子,因而形成局部陰極(Cathode),此時因為電化學效應,使得原本損傷造成的陽極區加速腐蝕。此類的局部腐蝕現象會集中破壞某區域,相較均勻腐蝕現象,更容易使金屬產生斷裂而導致大型災害,並且非常不易察覺。
 
近年來許多可以自己進行表面癒合修復的塗料,或是在塗料損傷後可以抑制腐蝕繼續發生的腐蝕抑制材料(Corrosion Inhibitor),都是自癒合(Self-healing)金屬塗料研發的範疇。從自癒合塗料的發展方向來看,可以粗分為自體修復或是外力修復兩種。外力修復的技術,主要是在塗料中導入含有修復劑的微膠囊材料(圖二),當塗膜被劃傷時,微膠囊可以因為機械力、pH差異或滲透壓等,讓原來被包覆的修復劑釋出,因而達到自癒合的效果。由於金屬防蝕塗料劃傷後自癒合的目的是抑制腐蝕繼續發生,與一般裝飾面漆所需要完整修復塗膜不同,也就是在金屬防蝕的自癒合塗料即使無法完美修復塗膜刮傷,但只要能夠抑制前述之在金屬刮傷處加速腐蝕的電化學行為即可。
 
圖二、塗料中導入微膠囊包覆修復劑達到劃傷後自癒合效果
圖二、塗料中導入微膠囊包覆修復劑達到劃傷後自癒合效果
 
自癒合金屬防蝕塗料的需求
在過去的40年以來,隨著各行業如皮革、金屬鍍層或金屬防蝕處理等,已認知六價鉻對人體與環境的危害,因此各產業都積極尋求綠色、無鉻的替代材料。目前皮革與金屬鍍層產業均已有商業化的替代技術,唯獨在許多高性能要求的塗裝材料中,例如航太、船舶與沿海高腐蝕區域應用,仍然持續使用六價鉻作為防蝕前處理材料。六價鉻為強氧化劑,具有優異的防蝕性能,尤其是罕見的自癒合防蝕性能,這也是六價鉻在高防蝕性能需求的塗裝仍無法被替代的原因。近年來,隨著奈米技術的成熟,加上材料研究與化學研究的逐步融合,利用微包覆材料替代六價鉻達到自癒合防蝕性的研究蓬勃發展。圖三右方所示,主要是透過高分子材料形成微膠囊,並將綠色、無鉻的腐蝕抑制劑(Green Inhibitor)或修復劑(Self-healing Agents)包覆其中,當塗料受到損傷或腐蝕發生時,可透過特定機制將腐蝕抑制劑與修復劑釋放,達到塗膜修復或裸露金屬腐蝕蔓延抑制的效果。
 
工研院在自癒合塗料的發展現況
工研院導入無機層狀複金屬氫氧化物(Layered Double Hydroxides; LDHs)作為離子交換型包覆材料,其主要特性為利用層間表面氫鍵及電荷作用力吸附大量陰離子並安定存在於水相(圖六),目前多應用在藥物包覆控制釋放以及廢水處理。相較傳統利用奈米微胞包覆腐蝕抑制劑的方法只能透過劃傷放出腐蝕抑制離子,無法穩定吸附腐蝕性離子,由於自由能以及表面能緣故,LDHs傾向將環境較小之氯離子交換進入層板間,使整體層間距縮小,而釋放出腐蝕抑制離子,藉由LDHs釋放與吸附之雙重機制延長塗膜劃傷及未劃傷的防蝕效果(圖七),並透過腐蝕抑制劑賦予既有水性塗料劃傷自癒合防蝕效果。
 
圖七、無機層狀複金屬氫氧化物合成與離子交換示意圖
圖七、無機層狀複金屬氫氧化物合成與離子交換示意圖
 
工研院將載有釩系抑制劑離子之LDHs包覆材料添加5 wt%至市售水性樹脂當中,依ASTM B117鹽霧試驗,市售品在鹽霧72小時劃傷處即有白華鏽水自劃傷處溢出(圖八);當鹽霧時間持續拉長,添加包覆釩系鈍化劑之LDHs則延長至超過200小時甫開始出現小部分白鏽,相較市售品防蝕性能拉長3倍時間…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:湯偉鉦、魏宇昆、廖凱偉/工研院材化所
★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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