TW200422229A - System and method for protecting metals - Google Patents

Description

200422229 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於金屬的保護作用以防止由於曝露在環户 例如，海水，中的腐蝕及/或積垢作用。根據本發明之2嗜 作用是經由使用導電性含鋅塗層與應用電流陰極防蝕2 結合而達成。 【先前技術】 陰極防錄為—種可使用在電解環境中以保護金屬物科 =侵钮作用的-般電化學技術。t —金屬是浸潰於__電 解環境中時，例如，海水，該金屬因為大量微小電化學; 池在該表面上建構而腐蝕。一般而言，這些電化學是由兩 個反應組成u匕金屬以形成溶解在電解f中之金屬離子 的陽極反應，以及還原氧以形成氫氧根離子的陰極反應。 當金屬是自由地浸潰在電解溶液中時，這兩種反應以相同 的速率進行，但是這些反應最終之結果為金屬的腐触。然 而，如果一外部陰極電流藉由使用另—輔助電極而應用至 此自由浸餘之金屬上，這兩種在金屬表面上之反應將會失 去平衡°造成金屬溶解之陽極反應將被抑魅且陰極反應 將增加。 或是金屬腐蝕作用，可以由此應用 使用陰極電流而降低金屬腐蝕作用 理論上，陽極反應 陰極電流完全地停止 的技術被稱為陰極防蚀法。阶柄雷* 一 ^丨衣位私，瓜可以猎由兩種已為人 所熟知之方法而應用至金屬上。 用一外部陰極電流 一方法（應用電流陰極防蝕系統）是使

^701R 200422229 工由使用一辅助電極作為陽極的一直流電源而應用至 金屬上。 另_ 、 一万法（犧牲陽極陰極防蝕系統）使用一犧牲陽極，其是 直接地連接至欲被保護之金屬。該犧牲陽極相較於金屬具 有更具負性之電位，因此電池在該金屬及提供陰極電流 勺犧牲陽極之間形成。最廣泛使用的犧牲陽極由鎂或是鋁 所製造。 - 在陰極防蝕系統之設計中，下列的問題需被滿足： 主（1)所應用之陰極電流量是視欲保護之金屬的總表面 知而疋。為了節省電力，陰極防蝕法通常與有機塗層一起 使用。結果是，當該有機塗層剛剛應用並且未受損時，防 腐蝕作用王要來自於該塗層，同時該陰極防蝕系統維持在 無作用狀態因為該金屬利用該有機塗層而與環境隔離。當 該塗層降解並且該裸金屬表面之部分被曝露在環境中時， 陰極防蝕開始作用以保護曝露的區域。 (2) 如果所應用之陰極電流量太大時，氫的釋放作用 (或還原作用）可能發生。該經釋放之氫將貿然地損害該塗層 系統，並且可能造成下層的金層脆化。 (3) 輔助陽極一般非常快速地溶解；因此，該陽極必需 由一特殊設計之合金製造。 積垢在水的環境中也是一普遍之問題。各種抗積垢方法 在文獻中也已被敘述，並且最常使用之方法包括一塗層或 疋包含對海洋生物是有毒性的添加物之其他層的應用。殺 生物劑例如錫化合物是晋遍並有效率的，但其更進一步之 只 7018 200422229 使用上則為人所懷疑’因為更嚴苛的環境法規之緣故。 鋅已發現在做為犧牲陽極上之廣泛的使用並且常… 含舞塗層之方法而應用。鋅為—有成本效益的物料，且: 有效的殺生物性質以降低由例如海洋生物之來源而來的積 垢，並且相較於現今基於錫之產品而言是更為環境所接受 〈物料。含鋅塗層，並且特別是富含鋅塗層，—般而 做為保護性塗層上已為人所熟知，並且廣泛地使用在包括 緣洋，汽車及建築的各種工業上。 _牲陽極陰極防钱系統的原則，其不難了解含鋅塗 層的保護機構。在該種塗層中，大量的微小犧牲辞陽輸 粒子）與金屬表面是電接觸的。在腐餘環境中，辞粒予先 ，同時=屬表面則是陰極性地防餘。為了要有足夠的陰極 、1 ’、使用了备含鋅’’的塗層，其含有大量的鋅粒子 以確保可以在金屬表面及鋅粒子之間建立足夠的電接觸。 备含舞塗層可以是有機的（例如，包含有機成分例如聚合性 黏結劑）或是無機的’並具有鋅含量（固體般以重量計大 万、8〇/°，並且通常在重量上提大於95%。 岑：然㈣腐蝕性質在功能性上需要一高含量的鋅，該高 :里的却不幸地也會將許多較不佳之性質賦予該富含鋅之 至層。例如，富含鋅塗層通常具有差的黏附性質並且非常 」特別疋對操機塗層而言）。此外，該富含辞塗層膜其自身 疋很谷易腐蝕的並且，因此需要一上部塗層做為一阻隔以 提供另外的保護作用。 Q此㈢希望去找到一系統，其有效地利用塗層之防腐蝕 «701« 200422229 作用以及鋅的防腐蝕性質及抗積垢性質。 US4196064揭示一種系統利用將一金屬基質塗佈在具有 含有不銹鋼粒子之一塗層之曝露侧以控制海洋積垢，接著 ’在該曝露環境中，將一電位強加至該經塗佈基質上使得 曝露表面（塗層）為具陰極性。一富含鋅底部塗層可以使用在 此系統中以提供另一防腐蝕作用給下方的基質，但是該種 鋅受層不疋思欲被曝露在該環境中。 US5005165，US5009757，US5346598 及 US5643424 全都 产 揭示一抗積垢系統，其中一富含鋅無機塗料被塗佈在一鋼 V 设的曝露侧。該鋅塗層在海水及該船的外殼間形成一界面 -層。一或多種鈦電極置於該船殼内（在該船殼的另外一侧並 且與水侧隔離）。這些鈦電極防止與水接觸。該鈦電極架在 以一液體電解質充填的一導電中空體中之絕緣體上。該中 芝體由一導電座安置在船殼上。一電源供應連接至該鈦電 極以及该船殼的導電性表面。該電源供應之正極連接至中 芝體外部的鈇棒而該負極是連接至船殼。該系統被視為將 · 一負電容強加至該曝露的鋅塗層表面上。 在此系統中，然而，來自電源供應之負極的電子經由船 成（導電性），中空體（導電性），中空體/電解質之界面，電 解質’欽/電解質之界面及鈦（導電性），並且回到正極而形 成一封閉電路。該電化學反應可因此僅發生在兩界面上_鈦 /電解質及中空體/電解質_並且所敘述元件之方向不應該在 發生於船殼外部表面（經鋅塗佈之表面）之電化學反應（腐蝕 作用及/或積垢）上有任何效果。因此在此系統中之陰極實際 上為與電解質接觸之中空體 到的陰極防蝕作用，中空體 極之腐蝕作用將增加。此外 的腐餘作用/或是積垢作用上 或是有利的。 使用此置的結果為由於所受 之腐I虫作用將減少並且該鈦電 並不清楚此系統將在該船殼 將如何的具有任何效果，不利 同完整提出之目 所有上面戶斤界定之發表文獻為了所有如 的而以參考方式併入於此。 【發明内容】 主根據本發明之—方向，提供了避免金屬結構被腐餘及/或 :后〈方法’孩金屬結構包括—相較於鋅有一較高電化學 私仫 < 至屬，以及一曝露於一導電性環境而造成腐蝕及/或 •為至屬之曝絡表面’該曝露表面至少部份是以導電 性含鋅塗層塗佈，其與該金屬導電性接觸並且與該環境直 接接觸’该方法包括經由一電阻電路應用直流電以通過該 導電性含鋅塗層，於該電路中該金屬是做為陰極之功能。 根據本發明之另一方向，提供一經改良方法利用應用電 ⑽L極防餘法以防止金屬結構腐姓及/或積垢，該金屬結構 包括一相較於鋅有一較高電化學電位之金屬，以及一曝露 於一導電性環境而造成腐蝕及/或是積垢該金屬之曝露表 面’其中改良部份包括提供至少部份的該曝露表面一導電 性含鋅塗層使得該含鋅塗層與該金屬為導電性接觸並且與 该環境直接接觸，並且經由一電阻電路應用一直流電以通 過该導電性含鋅塗層，於該電路中該金屬是做為陰極之功 能。 87018 10- 200422229 ^本1明另—万向’提供-系統防止金屬結構腐独 及后4金屬結構包括—相較於鋅有較高電化學電位 之金屬’以及—曝露於—導電性環境而造成腐減/或是積 垢該金屬之曝露表面，該系統包括： 、'⑴在至少部份該曝露表面上之一導電性含鋅塗層，該 寸私佳3 ^層與該金屬係為導電性接觸並且*該環境直 接接觸； ~ - 直机電源，其具有一正極及一負極；及 (2) (3)—電阻電路連接該正及負極，該電阻電路包括該金 屬做為陰極及以阻抗方式連接其中之陽極，並且於其中建 構及电阻私路使m電將流經該導電性含鋅塗層。 ，每π向中’一般較佳的是該曝露表面實質上係 以該導電性含鋅塗層覆蓋。„般也較佳的是該電阻電路包 括做為陰極之金屬，及在曝露環境中之陽極。在另一較佳 具體貫施例中，該含鋅塗層為富含鋅塗層。另夕卜，仍在另 -較佳具體實施例中’該含辞塗層可以具有較低的料以 及較南的黏結劑基體及其他添加物含量而將 理及/或化學性f賦予給該含鋅塗層（相較於富含鋅塗層）。 根據本發明之方法及華絲E7古$丨 万法及“疋有利的，在於導電性 層中嫩藉由應用電流而陰極防餘並且，： 速的腐银作用’由此當富含鋅層 仏决 J 職 J/ —船# lil 上端保護性塗層之需求。因為該防止鋅被心 Γ塗層較佳地維持其完整性並且實質上較久，並^ 際上可以作為下方金屬保護性塗層之錢。在1化之系 87018 -11 - 200422229 金屬因此是藉由三個機構而保護該金屬藉由應 广而陰極防飯’該金屬利用鋅而陰極防飯，鋅仍可作 ===，以及該金屬實體上由該含鋅塗層保護 明;:Γ 塗層之功能。此外，因為鋅在本發 中不會如此快速的腐姓’其仍可以做為防積垢劑。 根據本發明之方法及系統在數種已熟知之領域中可找到 肩’在這些領域中腐餘作用及/或積垢為關心的重點， Λ t王：之例子是在船及其他曝露在海水中或其他半驗水 的:、《金屬結構(例如橋樑’儲存桶槽’管路及結構鋼樑） 的保護作用中。 ） 挥本發明的這些及其他特徵及優點藉由下列詳細敘述的解 .中將使得一般熟知技藝者更容易瞭解。請了解本發明之 ::特斂其為了清楚之緣故而敘述在上面或下面個別具 =貫施例之文中’其也可以結合在單一具體實施例中而提 仏二反的，本發明之各種特徵，其為了簡潔之緣故而敘 过在早—具體實施例中，也可以個別地或是以次組 式提供。 【實施方式】 、佐團^，—金屬基質1，例如一船殼，是以一導電性各 鋅塗層3塗佈而表示。 口 、與本發明一起使用之適當含鋅塗層當然必須包含鋅(及/ ^氧化鋅），1且必須是導電性，意才旨-電流將從一陽極 =經該含鋅塗層並到達陰極（金屬）。這些類型之塗層 &對一般熱知技藝者而言是已熟知的。 87018 -12- 200422229 在一較佳具體實施例中，該含鋅塗層為一富含鋅塗層， 至於該術語通常為一般熟知技藝者所明瞭。參照，例如， "表面塗層，輯1:原料及其用途’’，P. Parsons，Chapman & Hall (London)，1993，第412，423頁。富含鋅塗層一般包括高 的載有鋅的無機或是有機聚合基體。一般鋅載量為基於固 體以重量計超過80%，並且最常為以重量計超過85%。該種 塗層可向許多的來源購得。 具有燒基碎酸鹽黏結劑之溶劑媒性無機含鋅塗層包括， 例如，Ganicin 347YV912 (E.I. duPont de Nemours and Company)及 Carbozinc 11 (Carboline) o 具有環氧基黏結劑之溶劑媒性有機含鋅塗層包括，例如 ，Ganicin 347Y937 (E.I. duPont de Nemours and Company) 及 Carbozinc 859 (Carboline) o 具有碎酸钾黏結劑之水媒性無機含鋅塗層包括Carbozinc 11 (Carboline) 〇 具有2K胺甲酸乙酯黏結劑之溶劑媒性含鋅塗層包括 f 62ZF (E.I. duPont de Nemours and Company) 〇 本發明之較佳塗層為無機矽酸鹽類，其導電性較佳於有 機物，該有機物傾向於包住及隔絕較多之鋅粒子。 欲被保護之金屬為相較於鋅具有較高電負電位的金屬， 最顯著地為鐵及基於鐵之合金例如鋼。 為了最佳之結果，較佳的是金屬的整個曝露表面實質上 是以含辞塗層塗伟。 在圖2中，一海運船10以是浮在水2之表面上並且具有本 87018 -13 - 200422229 發明之系統於船上而表示。DC發電機5產生一陰極及一陽 極電位。DC發電機5經由至一連接器之電導體8而連接至船 殼9上，使得該殼為在發電機操作上之陰極。DC發電機5也 經由被隔離電導體7而連接至強迫電流陽極6，其為與殼9電 絕緣並且其是以分佈方式位於其上。視DC發電機5之操作 而定，一電路形成當電流從DC發電機5之正極流經陽極通 過電解環境（例如海水），通過覆蓋於曝露在積垢中的船殼9 部分之含鋅塗層（塗層未顯示在圖中），通過殼9而至導體7 , 並且回到DC發電機5之負極。 如此形成之電路具阻抗以避免在系統中之短路。該阻抗 可來自於數方面。例如，因為該陽極6為與殼9電絕緣，該 電流將流經海水。該含鋅塗層，雖然具導電性，也可入加 阻抗至系統中，特別是視鋅及其他導電性元件含量而定。 所形成電路的這些及其他方向對一般熟知技藝者而言是很 容易辨別的。 一般而言，使用一電壓使得陰極電流密度是在大約1 | mA/sq.ft至大約100 mA/sq.ft之間，更較佳地是從大約1.5 mA/sq.ft至大約35 mA/sq.ft。由強加陰極電流造成之陰極 (或是船殼）負電位轉移通常為大約40至大約400 mV。因為 該含鋅塗層已具有一相當之負電位，建議是一較低電流密 度，因為一高陰極電流密度將增加在表面上不欲之氫釋放 。較佳地，該電位實質上是連續地被應用。 一般而言，上述之各種元件，例如DC發電機，陽極及導 體，為對一熟知技藝者而言是很熟知的類型，例如，揭示 87018 -14- 200422229 在前面併入之US4196064中。 【圖式簡單說明】 圖1表示一曝露在一腐蝕性及/或積垢環境中之結構性構 件部份的切面圖，該構件具有一導電性含鋅塗層黏附於其 上。 圖2為一海運船之圖式侧視圖，該船具有本發明之系統於 船上。 【圖式代表符號說明】 1 金屬基質 2 水 3 導電性含鋅塗層 5 DC發電機 6 強迫電流陽極 7 被隔離電導體 8 電導體 9 船殼 10 海運船 -15 - 87018

Claims (1)

1. 200422229 拾、申請專利範圍： 1. 一種防止金屬結構腐蝕及/或積垢之方法，該金屬結構 包括一相較於鋅有一較高電化學電位之金屬，以及一曝 露於一導電性環境而造成腐蝕及/或積垢該金屬之曝露 表面，該曝露表面至少部份是以導電性含鋅塗層塗佈， 其與該金屬導電性接觸並且與該環境直接接觸，其特徵 為S方法已括、、'二由一電阻電路應用直流電以通過該導 電性含鋅塗層之步驟，於勢兩 / »义巧兒路中琢金屬是做為陰極之 功能。 2. 根據申請專利範圍第1稽士士 — 礼固米i /自万法，其特徵為該曝露表面 貫質上是以該導電性含鋅塗層覆嘗。 3 .根據申請專利範圍第！項令女 岡步1男又万法，其特微為該導電性含 鋅塗層為富含鋅塗層，兑JL右 ° ”〜有鋅載f，基於固體以重量 計為超過80%。 4.根據申請專利範圍第1項之 、<万去，其特徵為該直流電使 得陰極電流密度是在：[mA/ 1 八/sq.ft至 1〇〇 mA/sq ft之間。 5 .根據申請專利範圍第1項之 /' ’会’其特徵為該金屬為鐵 或是一基於鐵之合金。 6. 根據申請專利範圍第1項々 、 决’其特徵為該曝露表面 實質上是以該導電性含鉉涂R 、、、 、义層復蓋；該導電性含鋅塗層 為冨含鋅塗層，其具有鋅載景 、、 、 執里，基於固體以重量計超過 80%，該直沭電使得陰極電 设 力匕迨度疋在1 mA/s q. ft至1 〇 〇 mA/sq.ft之間；並且該金屬 屬為鐵或是一基於鐵之合金。 7. 根據申請專利範圍第1至6項女、 /、万法又任一項，其特徵為該 R1()\K 200422229 結構為一船殼，一橋樑或是一儲存桶槽。 8 一種防止金屬結構腐蝕及/或積垢夕签，、 右又系統，該金屬結構 包括一相較於鋅有較高電化學電位 、… 卞兒1乂爻金屬，以及一曝露 於一導電性環境而造成腐蝕及/ A %垢孩金屬之曝露表 面，該系統包括·· (1) 在至少部份該曝露表面上乏 、、… 衣w上 < —導電性含鋅塗層， ?亥導電性含鋅塗層與該金屬 ^ τ碼寸电性接觸並且與該 %境直接接觸； (2) 一直流電源’其具有-正極及-負極；及 八;Γ電阻電路連接該正及負極，該電”路包㈣ :屬做為陰極及以阻抗方式連接其中之陽極，並且於豆 中建構該電阻電路使得一直戶心 ι甩知現經該導電性含鋅 逢層。 9. 根據申請專利範圍第8項之 舍μ 、、无’其特徵為該曝露表面 貝貝上以該導電性含鋅塗層覆蓄。 10. 根據申請專利範圍第8項之系 ^ /、系統，其特微為該導電性含 鲜变層為富含鋅塗層，並且古 ’、/、有鋅載量，基於固體以重量 計為超過80%。 1 1 ·根據申請專利範圍項 〜 /、<系統，其特徵為該直流電使 件陰極電流密度是在1 , 疋在 mA/sq.ft至 100 mA/sq.ft之間。 ’根據申請專利範圍第8項土 $ Λ、 , 阗罘/、<系統，其特徵為該金屬為鐵 或是一基於鐵之合金。 13,根據申請專利範圚t S 會所^ 圍罘8頁 < 系統，其特徵為該曝露表面 疋、為導電性含鋅塗層覆蓋；該導電性含鋅塗層 87018 200422229 為富含鋅塗層，其具有鋅載量，基於固體以重量計超過 80% ;該直流電使得陰極電流密度是在1 mA/sq.ft至100 mA/sq. ft之間；並且該金屬為鐵或是一基於鐵之合金。 14.根據申請專利範圍第8至13項系統之任一項，其特徵為 該結構為一船殼，一橋棵或是一儲存桶槽。 «701«