热带雨林大气环境中光氧化和霉菌降解对聚酯涂层的失效行为的影响

【作者】 卢琳； 刘倩倩； 肖葵；

【机构】 北京科技大学新材料技术研究院；

【摘要】 大气环境中使用的涂层材料,不可避免的受到阳光辐照、雨水冲刷、污染物扩散等因素的侵袭。在诸多因素中,微生物的作用往往被忽视,这是由于大气环境中的温度变化较大,养分易流失,紫外线光照强,使得微生物的生存环境较恶劣,因此大气环境中霉菌腐蚀行为的研究较少。相对而言,热带雨林环境所具有湿热的气候环境更有利于真菌的生长和繁殖。同时,茂密的植被为霉菌的生长提供充足的养分,能够有效促进霉菌的生命活动。因此,通过户外大气暴露试验对多种涂层的老化行为进行跟踪监测,并筛选出热带雨林环境中可在涂层表面生存的优势菌种,具有重要的实践意义。本文以聚酯涂层板为例,阐明了热带雨林环境下霉菌对有机涂层老化行为的影响,以及生物降解与光氧化之间的协同作用机制,从而进一步推进霉菌参与的环境失效过程中有关于有机涂层体系腐蚀失效机理的研究。文中运用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、聚焦离子束(FIB)、电化学阻抗谱(EIS)、和高分辨色散拉曼显微镜等实验手段对经不同周期暴露的涂层表面形貌、局部老化特性、电化学行为和微区腐蚀产物进行了表征。SEM照片显示,随着暴露时间的延长,涂层表面变得粗糙,菌丝在涂层表面的分布更加密集;FTIR结果表明,紫外线引起的光氧化作用破坏了聚酯主链,导致脂肪酸酯键断裂,形成低聚合度的酯,为真菌生长提供碳源,并且光氧化作用在旱季表现得比雨季更为明显;此外,涂层的局部老化特性表明,真菌的酶促水解作用能够促进光氧化产生的低聚物水解,生成末端含羧基和羟基的水溶性中间体;菌丝在涂层表面的纵向延伸、生长也加快了涂层失效进程。在光氧化和霉菌生命活动的协同作用下,暴露24个月后的涂层在孔隙缺陷处建立了涂层表面与金属基体之间的快速扩散通道,加速了腐蚀介质的迁移并在基板处发生了腐蚀反应。拉曼光谱分析证实其主要腐蚀产物为α-Fe2O3、ZnO和Zn5(OH)6(CO3)2。由此可知,在聚酯涂层的失效进程中,与紫外的光氧化作用相比,霉菌的生命活动在涂层暴露的后期起着更重要的作用。霉菌能够降解光氧化产生的低聚物,从而加速涂层表面的损伤过程;同时,在涂层与基体界面的腐蚀反应中,由于微孔中的菌丝具有导电性,加速了腐蚀介质的迁移。另外,真菌的代谢产物对基板的腐蚀反应也具有不可忽视的影响。更多还原