美国俄亥俄州哥伦布市Battele研究所的科学家开发了一种微珠，它能够检测金属基材上形成的腐蚀，然后释放出修补剂修复因腐蚀造成的破坏；同时当腐蚀发生时，提供一个早期的预警。该微珠为：填充有液体修补剂的直径30~50μm的球形胶囊，形似散装的细小白色粉末；通常将其混合于防护涂料中，以保护重要的基础设施免受腐蚀。当腐蚀发生时，微珠的表面会发生一种化学反应，使其发出荧光（可以通过紫外光[UV]观察到），然后会分裂释放出修复剂。对维护人员来说，微珠发出荧光就指示着腐蚀已经发生，这使得维护人员能够在潜在问题发生的早期来对其进行处理；同时微珠中的修补剂也能够即时修复腐蚀损害并延缓腐蚀进程。及时发现腐蚀并对其进行修复能够有效地节约时间和成本，也能够改善建筑设施的可靠性。
 
Battelle研究院的高级研究科学家Ramanathan Lalgudi表示，对腐蚀问题早期的检测一直都是一项难题，研究人员过去一直在寻找解决这一难题的技术。他指出，只有腐蚀已经形成并发展一段时间之后，我们才能够通过肉眼发现它，而到这个时候再去对损坏进行修复的话，付出的代价就很大了。大约10年前，Lalgudi和他在Battelle的同事开始从事于这项纳米技术的研究。在那个时候，研究人员正致力于开发一种功能化的纳米材料，他们将各种化学物质附于纳米材料的表面并对其效用进行研究。这促使了一个新的理念的形成，即通过使用相同的技术来确定金属基材上的腐蚀产物是否会与功能化的纳米材料发生反应，从而检测是否存在腐蚀。正因如此，研究人员开发出了一种单体微珠，其能够检测腐蚀，当腐蚀存在时提供警示，而同时微珠自身也会释放减轻腐蚀损坏的修复液体。通常情况下，其他大多数自我修复涂层技术要么需要两个单独的微胶囊，其中一个包含修复剂，而另一个包含用来激活释放修复剂的催化剂；要么微胶囊必须具备不经由腐蚀触发的释放机制来释放修复剂的特性，Lalgudi说道。
   
Lalgudi团队开发的微珠由一个聚合物微球壳组成，球壳将一个充满自制液体修补剂的核心包裹在其中。该球壳可与常用于保护金属基材腐蚀的环氧树脂和聚氨酯涂料相兼容，同时在加压后能自行复原，但在检测到腐蚀后，自身会进行分裂，然后释放修补剂。1壳壁中含有5％到8％的有机官能团，该官能团为一种键合了金属离子的络合剂。Lalgudi指出有好几种络合剂都可以使用，但科学家选择的是能够捕获并键合铁和铝离子的络合剂。在腐蚀过程中，金属离子从金属表面分离出来。当离子遇到涂层中的微珠，微珠外壳表面上的络合剂将捕获这些金属离子并使它们附着在外壳上。这种化学反应在紫外光的激发下，则会使微珠外壳发出荧光，Lalgudi解释道。
 
另外，当金属离子附着于外壳时，壳壁同时也产生了应力。随着越来越多的金属离子附着在壳壁上，壳壁的压力不断增大，最终壳壁被压力撕裂，壳中核心的液体修复剂被释放出来。修补剂的流出速率是根据腐蚀反应的强度来控制的，他补充道。如果腐蚀的速率很高且大量的金属离子从基底分离出来，那么更多的金属离子会附着至每个微珠中，此时压力也会更强，最终导致壳壁更快的被撕裂并释放修补剂。但是，如果腐蚀速率很低，那么分离的金属离子就很少，附着至壳壁的离子数量也更少，所以施加至微珠的压力就更小，壳壁撕裂的速率就更为缓慢，释放修补剂的时间就更长，而这通常来说需要几个小时。
 
Lalgudi表示，微珠的功能性可以针对各种类型的腐蚀性环境来使用。基本上，当发生腐蚀时，可以通过在每一个壳壁表面，使用更多或更少络合剂的方式，来控制壳壁的撕裂速率以及修补剂的释放速率。他举了一个例子，如果腐蚀速率高于预期，那么有机官能团混合的微珠壳壁比例也就相应增大。
 
大约有60％至70％的微珠填充有液体修补剂，其与丙烯酸、环氧和聚氨酯涂料是相兼容的。当包封在微珠内部时，这些修补剂是非常稳定的，一旦释放之后，修补剂就能够形成一个抗腐蚀的保护膜，迅速地修补基材。该修补剂已经在水和溶剂型涂料系统中进行了测试，其能够很好地附着于基材，而防护涂料不会破坏修补剂的固化进程，机械性能或耐化学性。参见文献：R. Lalgudi, “New Smart Coatings Detect and Mitigate Corrosion in One Step,” Pipeline and Gas Journal 241, 9(2014)
 
Lalgudi表示在通常情况下，微珠会添加至打底层下方的底漆或涂料中。添加到涂料中的微珠数量取决于各种因素，如涂料的固体含量，色素浓度和粘度。通过试验，科学家们确定了添加至涂料中微珠的最佳浓度为7 wt％~12 wt％；所涂抹的涂料和微珠的干膜厚度至少为4~5 mils（102~127μm），以避免光洁度的不平整。在检测针对腐蚀损伤的涂料时，紫外线光能够检测到所有与腐蚀副产物发生反应的微珠，这是因为微珠反应后会发出荧光，而研究员可以在涂层的裂缝或损坏处看到这些荧光。
 
太赫兹成像是一种新兴的无损检测技术，主要用于识别汽车涂层的缺陷，而这也是另一种可以检测出腐蚀副产物和微珠之间化学反应的技术，Lalgudi说道。他解释道，较之于未络合的微珠，与腐蚀副产物（离子）络合的微珠具有一个不同的折射率，因此太赫兹成像就能够确定表面涂层上具体发生腐蚀的位置。这种成像技术同样也能确定已经释放了修补剂的微珠浓度。他表示知道其浓度是非常重要的，因为微珠所含有的修补剂是有限的，当达到一定程度时就会被耗尽，从而微珠在得到补充之前，基材都不再受到保护。
 
目前，微珠技术仍处在概念验证的阶段，科学家们针对各种不同氧化速率、腐蚀速率和腐蚀副产物的金属基材，对这一技术进行定制。正因如此，Lalgudi希望与涂料制造商进行合作，共同开发针对具体应用项目的微珠涂料，如船体、石油和天然气管道等。
 
Battelle公司的高级市场经理Cindy Conner表示，“这项技术不仅可以解决在恶劣或腐蚀性环境中，与现有基础设施防护相关的重大问题，也可以提高新基础设施的安全性和可靠性。”



来源：材料与测试
译者：兔子小光
原文出处：《NACE International》2015年第53卷第3期
 
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