分析金属材料的微生物腐蚀机理及防护

分析 金属材料的微生物腐蚀机理及防护

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2. 赵昶2.付明洋

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2. 身份证号码：4127261986022****

2.身份证号码：41032519910623****

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，在各个行业发展中，应用金属材料发挥着重要的作用，但是，在实际应用金属材料时，材料本身时常有腐蚀现象出现，这样使得金属制品的各种力学性能受到严重影响。根据有关研究报告，每年全球能源的20%和国民生产总值的4.2%因材料表面腐蚀的原因而损失。由于金属材料表面的腐蚀，一方面会造成经济损失，另一方面威胁到人们的生命安全，所以研究金属材料表面的腐蚀有实际意义。本文参考国内外文献，综述了金属材料表面防腐技术中三种类型:自愈合涂层、缓蚀剂以及石墨烯涂料技术，指出了还没有解决的技术难题，并对技术发展趋势进行了展望。

关键词：微生物腐蚀；金属材料；腐蚀机理

引言

随着经济和各行各业的快速发展，描述微生物腐蚀的发展情况，微生物腐蚀所带来的危害，微生物腐蚀发生的条件和反应机理，阐述因微生物腐蚀而造成的金属材料失效的案例。依据因微生物的存在而造成金属材料发生腐蚀的案例进行分析，结合微生物的生命活动和产生的生物膜等因素，分析造成金属材料失效的原因。综合微生物腐蚀反应的机理，从传统微生物腐蚀防治的角度和新的形式微生物腐蚀防治手段，阐述微生物腐蚀的防护研究情况。

1机械设备金属材料磨损的主要危害

所谓机械设备金属材料的磨损是指，在运动过程中机械设备金属材料的各个组成部分由于互相的作用发生摩擦，并导致不断磨损金属材料的表面，使其原本的质量和形态以及尺寸等重要要素发生了改变，进而损害了机械的性能以及材料的耐用度。只要运行的时间较长，机械设备金属材料都会发生磨损，这是必然的自然规律，此外，在日常运行中，机械金属设备往往处于各种不同的环境中，在工作过程中其周围可能会长时间存在各种物质比如细小的固体颗粒，空气中也有水汽或其他化学气体也会腐蚀机械金属设备，时间长了就会损害金属设备。对于机械设备金属材料来说，它的磨损是不可避免的，过多过大的磨损会对机械金属设备的工作效率产生严重的影响，甚至会使机械金属设备发生报废，进而影响到日常生产，也会让经济上出现了大量的损失。由于我国开始工业科技革命的时间较晚，在将西方先进科技引入后，自身的技术发展一直处于世界发达国家之后，在日常的生产工作中就直接体现出了先进技术的差距，相比于先进的工业化国家，我国的机械设备金属材料发生磨损的程度要更高。这一问题也直接阻碍了我国制造业发展水平的提高，也使经济方面出现了较大的损失。

2微生物生物膜与腐蚀的关系

生物膜是由凝胶相和一种或几种细菌本体和胞外聚合物（EPS）等所组成的复杂的混合物。生物膜对金属的腐蚀产生起到了至关重要的作用。传统理论认为当生物膜在金属表面呈现出不完整的状态，则会在表面形成氧浓差电池，当存在较为活跃的微生物时，电位较负作为阳极，而不存在或很少量存在微生物时，电位较正作为阴极。根据生物电化学研究成果表明，生物膜导致金属发生腐蚀是因为生物膜上所附着的细菌通过直接或间接的方式从金属材料中获得电子，通过电子的交换导致腐蚀速度加快。但生物膜的腐蚀特性是具有两面性的，当胞外聚合物浓度较低时会抑制腐蚀，当生物膜作为组织腐蚀产物接触金属基体时也会阻碍腐蚀。但生物膜的存在会导致形成浓差电池则会加速腐蚀，并且当胞外聚合物浓度较高时也会加速腐蚀。

3金属材料对微生物腐蚀的防治

3.1金属材料结构表面构建防护层

金属材料结构磷化处理是将金属材料结构表面油污、锈蚀物清除干净后，用磷酸盐溶液将其持续一段时间的浸泡，这样一来会有一层难溶于水且能发挥保护膜作用的磷化物出现在金属材料结构表面，该过程即为金属磷酸盐化。通过该方法的应用，会将结构表面转化为暗灰或深灰色，且有一层5～20μm厚的保护层出现在金属材料结构表面，具备一定耐腐蚀性，能良好的保存于空气之中。同时，该层保护膜具备极强油漆吸附能力和多孔性，倘若采取磷酸化处理方法处理金属材料结构底层，同样可促进结构耐腐蚀性能的增强。

3.2冶炼化工设备热浸镀锌防腐

就目前的金属材料防腐而言，热浸镀锌防腐是一种重要的方式，详细而言，就是通过针对钢构件的酸洗除锈，在480~520℃的高温锌熔池之中浸泡3~5min，这样就会有一层锌液直接粘挂在其钢铁的表面，通过冷却之后就会形成相应的镀层，其本身就会发挥良好的防腐作用。基于实际的应用情况分析来看，其主要是对于金属材料的选择起到的良好的保护，主要是使用机械屏蔽的电化学保护方式，并且钢铁表面和涂层之间的结合力良好。不过还需要注意，考虑到镀锌涂层的实际厚度温度，所以，一旦有腐蚀的现象发生，那么就可能会有钢铁等金属材料从局部漏出来，进而导致涂层本身无法发挥效果。所以，热浸镀锌本身不具有长时间的防腐蚀的能力。同样，这一项工艺本身还带有较强的局限性，尤其是针对大构件。针对实际的金属材料防腐实施过程中，虽然可以有效使用这一手段，不过要考虑到对应构件的合理选择。

3.3缓蚀剂

在环境(介质)中以适当的形式和浓度存在，使金属腐蚀受到抑制的化学物质称为缓蚀剂。质量分数在0．1%～1%之间为缓蚀剂的用量，效果显著但含量小。缓蚀剂受缓蚀剂浓度、外部环境温度及溶液的pH值等多种因素的影响。按化学成分分类，缓蚀剂可分为无机、有机以及聚合物类缓蚀剂。在酸性环境中，防止金属材料腐蚀的有效方法是使用缓蚀剂。目前不同类型的有机和无机化合物作为缓蚀剂已合成，例如杂环化合物(由氮、氧和硫原子组成)。防腐蚀化学品的广泛使用，为降低对环境和人类造成的危害，在使用缓蚀剂过程中，开发绿色环保且缓蚀效率高的新品种成为当前研究的热点。对金属表面进行化学预处理采用环保型硅烷基涂料，可以增加金属表面与有机涂料的黏结强度，金属基材的抗腐蚀性能也增强。近年来，通过开展几种类型的硅烷组合，以及添加无机与有机缓蚀剂或阻挡纳米颗粒来增加硅烷基涂层防腐蚀效果方面的研究工作。

结语

近年来，我国科技技术取得了巨大成果，有关金属防腐方面的研究也更加深入，因金属腐蚀会影响设备性能、环境等，因此需要立足于环保及设备维护等方面，持续研发金属防腐技术的，深入研究金属防腐材料。腐蚀在日常生活中是一个常见的过程。微生物导致的腐蚀问题日益突出，但我们对微生物腐蚀的认识和了解程度还远远不够。微生物腐蚀还有很多机理尚未清楚，探究生物膜与腐蚀速度之间的明确关系，从而找到控制或者利用生物膜来减轻微生物腐蚀的方式。当然也应该突破传统的微生物腐蚀的防治方式，因为传统的微生物腐蚀防治方式会对环境造成不良影响和其他一些危害，这些材料提高了金属的耐腐蚀性，金属材料表面能够长期稳定不被腐蚀。在将来的研究中，研究重心在开发现有材料的同时，还应该思考原料成本、环境影响、工艺条件等问题，使得金属表面防腐材料的开发向着更加节约成本、绿色、实用的方向发展。

参考文献

[1]刘枫棣,张兰,马会中.机械设备金属材料的磨损失效及安全防范策略[J].科技经济导刊,2016(12):85-86.

[2]沈安琪.金属自修复材料在机械设备中的应用研究[J].南方农机,2018,49(23):209,214.

[3]冯平仓.超大/超细研磨设备在有色金属选矿中和新材料领域的应用[C].//第八届海峡两岸工程材料研讨会论文集.2018:34-35.

[4]雷党刚.搅拌摩擦焊接铸铝359+20%SiC金属基复合材料时的搅拌头磨损和自优化[C].//2011年机械电子学学术会议论文集.2021:193-198.