郑萌 中国科学院海洋研究所腐蚀中心 助理研究员

  腐蚀之害，令人咂舌

    在日常生活中，“生锈”的现象想必大家再熟悉不过。每天骑的自行车、路边的广告牌、操场周围的铁网还有马路中间的护栏，时间久了就会露出茶红色的斑点。如果我们放任这些斑点不管，它们就会逐渐扩大，使表面变得非常难看。这些我们平时说的“生锈”现象，它的学名叫做“腐蚀”。

    据欧美国家统计，全世界每 90 秒钟就有一吨钢铁被腐蚀为铁锈，骇人听闻。按照腐蚀损失占 GDP（ 国民生产总值 ） 比例 3% 来粗略计算，我国每年因腐蚀产生的经济损失比全国的自然灾害造成的损失还要多。

图1 腐蚀的损失和各种自然灾害的对比图

    滨海和内陆，相形见绌

    图 2 为青岛海边刚使用一年的海滨浴场护栏，仅一年的时间就变成了一副惨不忍睹的样子，每年都需要工人来修补上漆。而在北京，街道随处可见的金属护栏，经过 2-3 年依然光洁亮丽，锈点都屈指可数（图 3）。海边的钢铁比内陆的锈得快，这个现象很多人都知道。但这是什么原因呢？

图2 青岛第一海水浴场滨海人行道护栏锈迹斑斑

图3 北京长安街金属护栏洁白无瑕

    这要可以从“生锈”的化学反应说起。钢铁中含有碳的微粒，铁原子和碳微粒可以联通形成一个个微小的电池，会帮助电子的逃逸。铁原子在有水分的情况下，会发生氧化反应——失去一些电子变成铁离子。铁离子本身就是红色的，也就是我们看到的铁锈颜色。我们日常生活中很多地方用的深红色颜料，都是添加了氧化铁。

    那么为什么滨海地区的金属生锈特别严重？

    这是因为空气中富含水分，会在钢铁的表面形成一些微小而薄的液体膜，而滨海的空气中盐分较多，会增加这些液体膜的导电性，因此会加速铁原子失去电子变成铁离子的过程。所以说，滨海的空气中含有的水分和盐分是吃掉金属的“真凶”。

  防锈对策，各显神通——新材料和“保护衣”

    钢铁生锈后，就会“影响市容”，从而影响海边游人的心情。所以要想办法解决“生锈问题”。工程人员会想到两个方法：一个是换用不容易腐蚀的材料，另一个是给材料穿上一层“保护衣”。

新生产的钢筋在露天下腐蚀   废旧的铝材基本无腐蚀

图4 钢材料和铝材料在大气中的腐蚀对比

图5 涂料也不是万能的——滨海便民座椅锈迹斑斑

图6 海滨浴场的阳伞支撑架也没能幸免

    铝和铝合金都是不容易生锈的材料。中学时候学习过，铝是很活泼的金属，在铝的表面会形成一层氧化层，相当于穿上了天然的“防锈外衣”，这样就可以保持漂亮的外表了。

    然而铝的质地比较软，容易变形，有些地方还是得用钢铁这种传统材料。因为钢铁容易生锈，所以用到钢铁材料的地方，必须给材料穿上一层“保护衣”，也就是我们通常说的涂料。

    涂料可以隔绝钢铁和空气中的水分和盐分，减慢铁的腐蚀。涂料的主要成分一般是树脂，就是一层粘度很高的“油脂膜”，这层“油脂膜”可以牢牢吸在钢铁表面，防止大气中的盐分水分“进攻”到钢铁的表面。

    但是这层“油脂膜”如果长时间暴露在空气中，经历风吹日晒和热胀冷缩，慢慢的就像人的皮肤一样，也会老化和干裂。这时候空气中的“杀手”就会渗透到钢铁表面，使钢铁遭受腐蚀了。

  不锈钢的优势与弱点

图7 滨海地下通道的便民扶手

图8 某滨海钢结构加强板的包覆防护前和防护后的对比

图9 某海湾大桥拉索的的包覆防护前和防护后的对比

    读到这里，读者肯定还会想到另外一种材料——“不锈钢”。那么不锈钢为什么不容易生锈呢？

    首先，不锈钢里含碳少，不容易形成前面所说的微小的铁碳电池。另外，不锈钢不锈的本领，主要是来自于它含有的铬元素，会在不锈钢表面形成一层很薄但很坚硬的膜，使空气中的水分、盐分难以进入。

    不过，批量生产的不锈钢都有规则的形状，比如不锈钢管、不锈钢板等等，要把它们粘接在一起，就必须使用焊接的工艺。焊接的时候要用到其他的金属，这些金属中还可能含有碳或者其他杂质。在有杂质的地方就会形成一个个小电池，使不锈钢也变成了“生锈钢”。除此之外，不锈钢的固定材料中如果使用了其他的金属，也存在同样的问题。上面的照片中，不锈钢管还是完好无损的，但连接到大理石上的部分却流出了红色的锈水。

  应对腐蚀的新技术

    为了应对海滨城市中严重的腐蚀情况，技术人员想到了各种各样的办法。比如，现在出现的新型的包覆技术，能够很好地对抗严苛的海洋腐蚀环境。

    针对海洋大气腐蚀环境的 OTC 技术（氧化聚合型包覆防腐技术），由防蚀膏、防蚀带及外防护剂三层配套体系组成。简单易懂地说，就是在金属结构的表面，涂抹一层具有防止腐蚀功能的化学药膏，然后在外面缠绕两层具有同样防腐效果的无纺布带，最后再在表面刷涂一层“涂料”，这层特殊的“涂料”可以在空气中自然氧化聚合，形成坚韧的皮膜，还具有防老化防各种特殊气候的功能。可以说是给金属物体穿了“金钟罩”，水分子和盐离子都无法侵入。

    OTC 材料柔软易贴合，可以广泛适用于各种复杂形状的结构、设备，防腐寿命可以达到 25-30 年以上，当之无愧地称为“可缠绕的重防腐涂料”。

    相信在不久的将来，技术研究人员会有越来越多的新发明，用来阻挡高湿度高盐分的海洋空气，不让金属被它无情的“吃掉”。请大家拭目以待！

   ● 人物简介

    郑萌，2008 年中国海洋大学材料物理与化学专业硕士毕业，同年受国家留学基金委“建设高水平大学”项目资助，赴日本国立北海道大学（日本排名前 8）攻读博士学位，2012 年 3 月获工学院材科科学博士学位。2012 年 7 月起在中国科学院海洋研究所腐蚀中心（现海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室）任助理研究员。以第一作者在腐蚀学科著名杂志Corrosion Science等SCI刊物发表论文3篇。多次在国际会议进行学术报告，发表会议论文 5 篇。申请发明专利 2 项。2012 年以来，先后参与“海洋公益项目——环境友好型海洋防腐蚀和防附着新技术开发和产品化”，“国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心”，“我国腐蚀成本及控制战略研究”等项目。参与撰写《我国腐蚀状况》等专著。