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    稀土在功能塗料和塗層中的作用機理

    編輯:東莞乐虎国际電氣有限公司  字號:
    摘要:稀土在功能塗料和塗層中的作用機理

    摘要:稀土元素具有特殊的電子結構,在製備功能塗層領域有重要的應用。闡述了目前稀土在製備功能有機塗料、耐腐蝕塗層、耐高溫塗層及其他領域中的一些應用,初步探討了稀土在功能塗料和塗層中的作用機理。

    關鍵詞:稀土元素,有機塗料,耐腐蝕,耐高溫

    0.引言

    稀土是元素周期表ⅢB族中鈧、釔、鑭係17種元素的總稱,包含鈧Sc、釔Y及鑭係中的鑭La、鈰Ce、鐠Pr、釹Nd、鉕Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱Tb、鏑Dy、鈥Ho、鉺Er、銩Tm、鐿Yb、鑥Lu,共17個元素。稀土元素具有[Xe]4f0-145d1-106S2的電子構型,由於4f軌道的特殊性和5d軌道的存在,因而具有光、電、磁等優異性能。稀土離子具有豐富的電子能級,離子半徑較大,電荷較高,又有較強的絡合能力,這為化學合成稀土新材料提供了更多途徑。將稀土元素應用到功能塗層,可以對各種材料進行針對性的保護。

    1.稀土在有機塗料中的催幹作用

    有機塗料在材料保護中被大量應用,有機塗料在使用中往往需要添加催幹劑。傳統的催幹劑主要是鈷、錳、鐵、鉛、鋅、鈣等金屬的有機酸皂,但它們卻存在明顯的缺點:鈷皂價昂,錳皂色深,鉛皂毒性大、汙染大。稀土金屬皂催幹劑作為一類新型催幹劑,不僅具有毒性低、顏色淺、價格適宜等優點,而且兼具活性催幹劑和輔助催幹劑的作用,可部分代替鈷催幹劑,全部取代錳、鐵、鉛、鋅、鈣等催幹劑,有利於降低成本,消除鉛毒及汙染,並提高漆膜質量。稀土元素由於具有特殊的外層電子結構,以它製成的皂類催幹劑不僅能通過自身的價態變化將油中天然抗氧化物氧化或結合成絡合物沉澱析出,消除抗氧化劑的抗氧性,加速不飽和脂肪酸的吸氧速度,促進油中不飽和脂肪酸的表層氧化聚合幹燥,而且還可通過其空軌道與醇酸、酚醛、氨基、環氧等樹脂中的羥基、羥甲基等極性基團形成配位鍵,增加分子結構的交聯度,生成更大相對分子質量的配位絡合物,從而使中、底層塗層產生配位聚合幹燥[1]。例如以稀土元素Ce和異辛酸為主要原料,采用有機酸皂化法可製備高效稀土油漆催幹劑,該催幹劑能通過所含鈰離子的價態變化促進自由基產生,加速有機塗層的氧化聚合幹燥,同時還可與有機分子中的羥基、羥甲基等極性基團形成配位鍵,使有機塗層產生配位聚合幹燥[2]。

    2.稀土在功能有機塗料中的應用

    在有機塗料中加入稀土鹽的凝膠可以提高塗料的光澤。采用不同的稀土鹽製成的塗料其光反射率(光入射角為60°)分別為:醋酸鑭為72%,氯化鑭為69%,硝酸鑭為74%,醋酸鈰為71%,醋酸鐠為71%,醋酸鏑為71%,醋酸釓為65%,硝酸釓為71%[3]。稀土水性有光塗料一般由含稀土鹽的凝膠(2%~20%)、高分子乳膠樹脂(10%~20%)和含各類添加劑的膏狀基料(60%~80%)3大組分調製而成。該類塗料可用於木材、金屬、陶瓷、紙張等固體物質的噴塗,起到增加光潔度及防腐等作用。在內牆塗料的製備中加入稀土鹽,可以產生對人體有益的負離子[4]。這是因為稀土元素的原子最外層電子結構相同,都是2個電子,次外層結構相似,而倒數第3層具有未充滿的4f電子層結構。4f軌道上有未成對電子,最外層的2個電子發生電子躍遷,由此而產生多種多樣的電子能級,在稀土元素的原子表麵產生空穴,使之與水、空氣組成的體係發生催化反應,產生O2和·OH活性氧自由基,將空氣中的分子電離,從而增加空氣中負離子的濃度。稀土元素具有特殊的電子結構以及獨特的光、電、磁等性質,是構成光、電、磁等新型功能材料的重要元素。稀土激活堿土金屬鋁酸鹽發光材料是指以稀土特別是以Eu為激活元素,以堿土金屬鋁酸鹽為基體的一類發光材料。當前最具代表性且性能最好的鋁酸鹽基長餘輝發光材料是稀土離子摻雜的MAl2O4:Eu2+,RE3+,其中M是堿土金屬元素,RE是稀土元素,Eu2+是發光中心,RE能導致缺陷能級的形成,從而形成長餘輝。不同的M使得Eu2+所處的晶體場強度發生明顯的變化,從而產生不同的發光和餘輝顏色[5-6]。浦鴻汀,等[7]研究了以鋁酸鍶銪為發光體,分別以過氯乙烯、環氧樹脂和丙烯酸樹脂為基料的發光塗料,研究表明,鋁酸鍶銪的含量以20%~30%為最佳,以丙烯酸樹脂為基料的發光塗料,其發光強度、附著力、耐水、耐候、化學穩定性較好。美國專利[8]介紹了一種水性高速公路發光塗料,該塗料含有銪及其他稀土離子共激活的MAl2O3(M為Sr、Mg、Ca、Ba中的一種或多種)發光物質,以水溶性聚氨酯樹脂為基料,是一種環境友好型道路漆,而且還可以用於室內外的夜間指示。稀土保溫塗料是以矽酸鹽纖維為主料,以膨脹珍珠鹽為填料,摻雜適量的表麵活性劑、稀土和高低溫粘合劑製備而成[9]。稀土元素加入保溫塗料以後,可以生成稀土氧化物、稀土矽酸鹽、稀土化合物以及稀土夾雜物並放出某些氣體物質,提高保溫塗料的微孔結構。通過X射線熒光分析儀的檢測證實,稀土元素和它的氧化物、鹽類等是大量多元共存的。采用電子掃描顯微鏡對兩種保溫塗料進行觀察,加入稀土元素的保溫塗料,其纖維呈網狀排列;而不加稀土的保溫塗料,其纖維成混雜片狀排列。由於稀土元素的“晶體慣態”大部分是“密排六方”體,部分是“密排六方”和“麵心立方”共存,其原子本身又存在著空價鍵軌道,因而它的化學性能活潑,並和其他原子接觸麵大,在物理化學反應後形成以它為中心的網絡結構,因而增強了塗料纖維之間聚合力。此外,稀土添加劑具有微量的放射性,能放射出г、β射線,這些射線能使塗料中的粘結劑改性,也有助於提高其粘結力[10]。將二氧化矽、炭化矽、硼酸、雙氫水、氧化鉛按照一定的比例混合反應製備原料組分A;再將石墨粉、稀土氧化物按照一定的比例混合製成組分B;將A,B組分按比例混合,加入溶劑,可調製成黏稠的導電塗料[11],可對冬季混凝土的施工進行高效、安全的加熱保溫,保證冬季混凝土係統的正常水合反應,滿足了混凝土的強度設計要求,從而有效防止混凝土的早期凍害。

    3.稀土在防腐蝕塗層中的應用

    金屬材料的腐蝕不僅帶來巨大的經濟損失,同時還導致生態環境的破壞。全世界每年因腐蝕而報廢的鋼鐵設備相當於鋼產量的30%,因腐蝕造成的停產、效率降低、成本增高、產品汙染和人身事故等間接損失更為驚人,可見腐蝕問題已經成為急待解決的問題。電弧噴塗長效防腐是目前最受重視的熱噴塗技術之一,有著重要的應用領域。日本公布了在日本沿海進行的不間斷海水環境下的浸蝕和腐蝕現場試驗結果,電弧噴塗鋁塗層的防護性能達到了A級[12-13]。目前鋁塗層和鋅塗層是金屬構件腐蝕防護的主要材料之一,它作為犧牲陽極,起到陰極保護作用,而且能使金屬製品與外圍腐蝕介質隔離,防止腐蝕發生。通過對含有稀土元素的幾種鋁和鋁合金材料的電弧噴塗層的防腐性能進行測試,表明加入稀土可以有效地改善塗層的性能。這主要是由於稀土不僅可以細化晶粒,改善合金的抗蝕能力,而且可以提高塗層結合強度,降低孔隙率,使孔隙變細小。塗層孔隙率的降低對提高塗層的耐腐蝕能力有重要的作用[14]。實際應用中,塗層孔隙的存在減弱了塗層的隔離作用,腐蝕介質會從孔隙穿過塗層到達基體,發生塗層下腐蝕。當鋼鐵構件全部覆蓋塗層後,在塗層壽命經驗公式T=0.64d/S(T為設計壽命,年;d為塗層厚度,μm;S為裸露鋼鐵麵積百分數)中,S取決於塗層的孔隙率,塗層孔隙率降低,S數值減小,塗層壽命延長。於興文,等[15]報道了稀土元素對鋁合金表麵轉化膜的耐腐蝕作用。在鋁合金表麵形成稀土轉化膜,抑製了氧和電子在鋁合金表麵與溶液之間的擴散和遷移,使腐蝕的動力消失,能起到更好的鈍化保護作用。文九巴,等[16]對富Ce混合稀土鋁合金的熱浸鍍滲工藝及滲鋁後的耐腐蝕性進行了實驗研究,結果表明:稀土對於熱浸鍍滲鋁具有良好的催滲作用,鋼表麵熱浸鍍滲稀土鋁後,具有良好的耐腐蝕性,其中含013%的富Ce混合稀土的鋁合金具有更好的耐腐蝕性,其耐腐蝕性2~3倍於純鋁。環氧樹脂有優異的附著力、柔韌性以及較好的耐腐蝕性,但其耐酸性及耐有機溶劑性差、吸水率高等弱點限製了其應用,可加入酚醛樹脂對環氧樹脂基體進行改性。酚醛樹脂的加入使兩種樹脂的活性官能團間產生交聯反應,所得改性塗膜既有環氧的附著力強、柔韌性大、抗堿性好的優點,又具有酚醛樹脂的耐水性、耐溶劑性和耐酸性優良的特點。在環氧樹脂粉末塗料的基本配方基礎上,添加稀土元素,由於稀土元素一般易失去3個電子,呈正三價,其反應活性極高,是參加反應的高活性劑,也是自身催化劑,而與樹脂反應後所得化合物鍵能極強,因此樹脂的耐熱、耐磨、耐腐蝕等性能能得到進一步提高[17]。該類塗料由腐蝕抑製劑(稀土化合物)和能產生中性至微酸性的填料所組成。將腐蝕抑製成分與其他成分(如填料、氨基酸和氨基酸衍生物、凝膠和凝膠衍生物、有機交換樹脂及其組合)相結合,可提高所得塗膜的耐腐蝕性,對底材(如金屬,包括鋁和鋁合金)附著力好,例如用環氧聚酰胺、分散劑、2-丁醇、高嶺土和硝酸鈰製備的塗料,具有良好的腐蝕抑製性。

    改善材料的耐高溫氧化性僅從材料本身考慮往往是不夠的,實踐證明,高溫材料本身要做到既有好的高溫強度,又具備優良的抗氧化、耐腐蝕性能十分困難,而研製和使用耐高溫塗層,其經費要比耐高溫材料低得多。近年來,人們研究了各種耐高溫塗層,已經得到了很大的發展,從傳統的鋁化物塗層到熱障塗層,從單層塗層到多層塗層[19]。耐高溫塗層的塗覆方法很多,不同類型的耐高溫塗層有不同的製備方法。

    在材料表麵改性層內添加微量稀土元素,可以改善改性層的致密性以及與基體的結合力,降低氧化速率,提高氧化膜的抗剝落性能,從而顯著改善改性層的高溫抗氧化性。微量稀土元素所起的作用,稱為反應元素效應(reactiveelementseffect),簡稱REE[20]。在耐高溫塗層製備過程中,稀土的加入可以采用不同的方法,如在化學熱處理、激光熔覆或熱噴塗中一般是加入稀土化合物,而在離子注入或等離子體鍍膜中,可把稀土加入到靶材中。稀土對表麵改性層性能的影響,首先與其微量固溶和合金化有關。理論分析和測試結果均證明,“固溶稀土”主要富集於晶界上或其他晶體缺陷(如位錯、空位等)處,通過與缺陷或其他元素的交互作用,引起晶界的物理、化學環境或界麵能量的改變,影響其他元素的行為和產生新相的析出,最終導致改性層組織與性能的變化。其次利用稀土元素可以控製改性層中第二相或夾雜物,進而改善改性層的性能,細化組織與結構。稀土可以使滲鍍層或塗層組織細化且致密,這是它改善改性層力學性能和抗氧化耐腐蝕性的重要原因之一。在化學熱處理中一般認為,稀土元素與氧、氫等雜質元素有較強的親和力,能抑製這些雜質元素促進組織疏鬆的作用,從而使滲層組織致密,而且稀土可使新相的形核率增加,有利於滲鍍層組織的細化[21-22]。王引真,等[23]研究了CeO2對等離子噴塗Cr2O3塗層抗熱震性的影響,發現適量的CeO2使微裂紋呈網狀分布於塗層薄片內,具有釋放塗層內應力的作用,可延緩裂紋產生和擴展,並使塗層內貫穿性孔洞減少,從而提高塗層的抗熱震性。熱障塗層由於其優異的隔熱性能而廣泛用於保護航空發動機高溫部件。在熱障塗層陶瓷材料中,純ZrO2由於自身存在的相變問題不能直接用於熱障塗層,而經過穩定化處理的ZrO2以其良好的綜合性能而成為熱障塗層陶瓷層的首選材料[24]。稀土氧化物塗層的主要相組成一般是La2O3、CeO2、Pr2O3和Nb2O5。HanshinChoi,等[25]對等離子噴塗CeO2-Y2O3-ZrO2(CYSZ)熱障塗層研究表明,由於等離子噴塗過程中由Ce4+轉化的Ce3+會重新被氧化為Ce4+,減少了塗層中的氧空位,從而降低了立方相向單斜相轉化的驅動力,使得CYSZ塗層具有比YSZ塗層更好的相穩定性、更低的熱導率及熱疲勞壽命。稀土元素對陶瓷塗層的高溫性能有很好的改善作用。何忠義,等[26]討論了稀土高溫結構陶瓷的應用,摻雜La、Y的Si3N4陶瓷工作溫度可達1650℃,主要用在高溫軸承和高溫燃氣輪機上,La、Y主要起到助熔劑和改善晶界的作用。摻雜稀土ZrO2增韌陶瓷可作為高溫耐磨材料,材料中Y2O3或CeO2作為穩定劑。楊柳,等[27]研究表明:在Si3N4陶瓷中添加Yb2O3和CeO2後,晶間析出大量Yb2Si2O7晶體,提高了晶粒連接處在高溫下的強度。YoshimuraM和KimYoung-Wook,等[28-29]研究均發現,在SiC陶瓷中添加Y2O3使材料的高溫強度提高到630~750MPa。對於Al2O3陶瓷,YoshikowaA,等[30]研究表明,加入適量Y2O3可提高其高溫強度,而Mitsuoka,等[31]研究表明加入0.105%(摩爾分數)的Yb2O3可使其強度達到560MPa。

    5.稀土在其他功能塗層中的應用

    稀土改性碳納米管寬帶吸波材料以碳納米管為雷達波吸收劑進行稀土摻雜後,和環氧樹脂充分混合,製成複合吸波塗料並塗覆在鋁板上製成吸波塗層[32]。使用反射率掃頻測量係統檢測碳納米管的吸波性能,結果表明:用適量稀土氧化物改性後,碳納米管的吸波性能大幅提高。在遠紅外陶瓷粉中加入稀土氧化物時,因遠紅外陶瓷粉中含大量的TiO2,TiO2是光觸媒的半導體,充滿電子的價電子帶由能傳導電子的傳導帶和不能存在電子的禁帶構成。由於稀土元素外層的價電子帶存在,當一定能量的光照射到遠紅外陶瓷粉時,稀土元素的價電子帶會俘獲光催化電子,所以TiO2產生的電子大部分被稀土元素的外層價電子帶(為正三價)所俘獲,這樣便產生更多的空穴,故加入稀土氧化物的遠紅外陶瓷粉所產生的電子、空穴濃度遠遠高於未引入稀土氧化物的遠紅外陶瓷粉,因陶瓷材料大部分為多晶體介質材料,而介質晶體材料的紅外輻射特性在遠紅外短波範圍主要與電子或電子空穴有關,所以電子-空穴濃度的增加,會使材料的紅外輻射加強[33]。

    6.結語

    稀土元素的加入能有效改善塗料和塗層的各種性能,特別是高溫抗氧化和耐腐蝕性能,對要求在嚴酷條件下工作的工件和零件上有很好的應用前景。但稀土在塗料或塗層中的作用機理還遠未搞清,至今未能做出完整的解釋,一些稀土元素在塗料或塗層中的應用則至今尚未有研究和報道,這些都需要材料工作者作進一步的試驗分析和研究,從結晶化學、熱力學、動力學等角度去解釋稀土在塗料或塗層中的作用,從而使稀土能在塗料或塗層改性中發揮更大作用。

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