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鍍鋅

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鍍鋅,是指在表面上鋪上金屬防銹英語Rustproofing方法。鋅是一種抗腐蝕性頗高的金屬,能夠把鐵隔絕於氧氣,令鐵不能發生生銹所需的的化學反應;由於鋅的金屬活動性比鐵高,即使鍍上的鋅出現破損,鋅仍能以犧牲性保護電化學方式來防止生銹。鍍鋅的方法主要有熱浸鍍鋅(HDG)、電鍍鋅英語Electrogalvanization(EG)和冷鍍鋅。根據考古發現,早在1680年代已有人類對鐵進行鍍鋅處理。

歷史[編輯]

根據考古發現,1680年代的印度人已經會在鎖子甲板甲上鍍鋅,方法可能是把鐵製物體浸入熔化的鋅,這是人類對鐵進行鍍鋅處理的最早證據[1]

1742年,一個名為默盧安(Melouin)的化學家向法國皇家科學院提交論文,指出可以把鐵浸入熔化的鋅,從而用鋅來包覆鐵製物體[2]。梅盧安的發現迅速在科學界傳開,市面上開始出現鍍鋅的家用器具;到了18世紀下旬,這些器具在法國部分地區已經頗為知名[2]。1836年,法國化學家斯塔尼斯洛斯·特朗基萊·莫德斯特·索勒爾(Stanislaus Tranquille Modeste Sorel)為熱浸鍍鋅的技術申請專利,是歐洲首個與鍍鋅有關的專利;他把鍍鋅技術命名為「galvanizing」,以紀念路易吉·伽伐尼Galvani)與伏打提出的流電英語GalvanismGalvanism)現象[1][2][3]

在索勒爾取得專利的翌年(1837年),英國人亨利·威廉·克勞福德(Henry William Crawford)取得了類似技術的專利,而英國亦開始有工業化的熱浸鍍鋅生產;到了1850年,每年有一萬噸的鋅被英國鍍鋅工業用作防銹英語Rustproofing[2][4]

截至2006年,鋅年產量的50%左右都用於鍍鋅,其中有90%左右是用於熱浸鍍鋅[5]

過程[編輯]

熱浸鍍鋅的過程(管狀的金屬是鐵或鋼,銀白色液體為熔融鋅液)
電鍍鋅的簡單實驗裝置

鍍鋅的方法包括熱鍍鋅、熱噴鋅、電鍍鋅、冷鍍鋅、粉末熱滲鋅、機械鍍鋅和真空蒸發鍍鋅等[5]

熱浸鍍鋅[編輯]

主條目:熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅(HDG)是常見的鍍鋅方法之一,其過程是把鐵或鋼完全浸入熔化的鋅;與電鍍鋅英語Electrogalvanization相比,熱浸鍍鋅的好處是成本相對較低[4][6][7]

鍍鋅期間的化學反應只會發生在潔淨的鐵面或鋼面上[8]。因此,在熱浸前,鋼鐵物料會先進行脫脂(以鹼性化學品清除油污)、反覆水洗、酸洗,以確保製成品的素質;其後,鋼鐵物料會浸入助鍍劑(主要成分通常為氯化銨氯化鋅),並進行烘乾預熱[4][8][5]。處理好鋼鐵物料後,鋼鐵物料會被浸入熔融鋅液(即熔化了的鋅),鐵和鋅之間便會發生一系列的複雜化學反應,產生鐵鋅金屬化合物,鐵表面便產生了鋅層;鋅層的厚度為6至20微米,相對較厚,通常由純鋅層和合金層構成[4][7][9]。熱浸完成後的工序包括冷卻、鈍化、檢測等[4]

在熔融鋅液中加入其他金屬,能夠調整鋅層的性質:例如,加入等金屬可以提高鋅層的抗腐蝕性,加入鋁、等金屬則可以優化鋅層的外觀[4]。另一方面,鋼鐵物料中的均會影響鋅層的組織和性能[4]

電鍍鋅[編輯]

主條目:電鍍鋅英語Electrogalvanization

電鍍鋅(EG)是電鍍的一種,其生產線非常昂貴;與熱浸鍍鋅相比,電鍍鋅的好處是鍍上的鋅層較為均勻[7][9][10]。在電鍍鋅的過程中,需要鍍鋅的鐵或鋼是陰極,將要鍍上去的鋅是陽極,鋅溶液作為電解質[9]。鋅層的厚度為7微米,相對較薄[7][9]

冷鍍鋅[編輯]

冷鍍鋅是指在鋼鐵物料的表面上塗上富鋅漆,這方法只需要平常塗油漆所用的器材,但鋅層(稱為富鋅塗層)的耐久性和使用壽命英語Service life較差,對鋼鐵物料提供的犧牲性保護亦較少[11]

防銹原理[編輯]

鋅層能夠物理上把鐵隔絕於氧氣,而這兩種物質是生銹所需的[1]。鋅層上有一層緻密的氧化鋅薄膜,氧化鋅難溶於水,因此能保護鐵免於生銹[4]。而且,鋅層有特別的金屬結構,是個十分堅硬的鍍層,具有優秀的耐損性[12]。在鍍鋅的過程中,鋅與鐵發生化學反應,形成一系列的合金,令鋅層與鐵緊密結合;由於鋅層與底下的鋼鐵物料牢牢結合,即使鍍鋅後的鋼鐵物體進行軋制、拉拔、彎曲等改變形狀的操作,鍍層也不會損壞[4][13]

電化學層面而言,鋅的活性比鐵高[1]。因此,即使鍍上鐵的鋅層出現破損、以至於鐵外露在空氣中,剩餘的鋅仍可為鐵提供犧牲性保護,以防止生銹[12]

應用[編輯]

鍍鋅是通用的防銹方法,不同大小(例如螺栓等小型機械零件、以至大型的結構部件)和形狀(例如中空物體、複雜形狀物體、器皿等)的鋼鐵物料均可以作鍍鋅處理[8]白鐵專門指經過鍍鋅處理的鐵,廣泛應用於石油化工電訊供電交通運輸建築機械農業等領域,在日常生活中擔任關鍵角色,也在一些產業中派上用場[2][4][14]。以下表格列出白鐵的部分應用:

領域 用途舉例[2][4]
石油化工 輸油管道、油井管、石油加工設備、石油儲存容器、冷凝冷卻器
電訊 無線電桅杆與無線電塔英語Radio masts and towers通訊電纜
供電 電塔英語Transmission tower變電所
交通運輸 高速公路護欄、公路或鐵路護網、船舶起吊鋼絲繩英語Wire rope、道路或鐵路隔音屏障、防風柵、防雪柵英語Snow fence路標街燈
建築 腳手架、排水管道、水暖器材、電線套管、防盜窗
機械 家用電器、電動機外殼、通風裝置外殼
農業 溫室、大棚管、大棚骨架、噴灌設備
軍事 尼森小屋英語Nissen hut(用波紋鍍鋅鐵英語Corrugated galvanised iron搭建,在一戰二戰常用)

攝取鋅可能會導致中毒,故不宜用鍍鋅廚具來煮食[15]。如果用鍍鋅容器來盛載含水量高的食物,食物可能會被鋅污染英語Food contaminant;食物的酸性愈高,風險便愈大[16]。因此,美國食品藥品監督管理局在2009年出版的《食品法典》規定,白鐵不可用作與酸性食物接觸的器具[17]

成本和環保問題[編輯]

與其他用保護層包覆鐵或鋼的防銹方法相比,鍍鋅的最初成本和長遠成本均較為低廉[12]。由於鋅的價格、熱浸鍍鋅技術的效能都相對穩定,熱浸鍍鋅的成本比其他防腐蝕系統較低,競爭力也較大;與此同時,其他防腐蝕系統的成本則大幅上升[18]。而且,在大多數環境中,經熱浸鍍鋅的鋼材有70年或以上的時間不需保養,提高了物體的預期壽命,經濟效益提升二至六倍[18]。把經鍍鋅處理的鋼材用於為建築物提供長期防銹保護,將能夠帶來數以十年計的成本效益[19]

英國鍍鋅協會(Galvanizers Association)的認為,鍍鋅可能是最環保的防腐蝕可行方法[8]。鍍鋅過程的能源效益英語Efficient energy use資源效益英語Resource efficiency都頗高,對環境構成較低的負擔[19]。而且,鋅是一種高度可回收的金屬;經鍍鋅而成的白鐵可以輕易透過重新鍍鋅、去除鋅層或重用的方法來循環再用,也可以與廢鋼一起回收[19][2]。但是,熱浸鍍鋅的過程會造成空氣污染,污染物為白雲狀的細懸浮粒子[20]

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Zinc coatings of Indian plate and mail armour. Royal Armouries. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-13). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 History of galvanizing. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-13). 
  3. ^ Jonathan Waldman. Rust: The Longest War. Simon and Schuster. 2016: 180. ISBN 9781451691603. 
  4. ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 4.10 邵大偉; 賀志榮; 張永宏; 何應. 热浸镀锌技术的研究进展. 熱加工工藝 (陝西理工學院材料科學與工程學院). 2012, (6). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 徐娟; 李波; 秘雪. 钢材热镀锌助镀剂的研究进展. 化學工程與技術. 2016, 6 (3). doi:10.12677/HJCET.2016.63009. 
  6. ^ HDG Process. American Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2015-10-29). 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Corrosion Tests and Standards. ASTM International. : 622. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 Galvanizing process. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-13). 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 Mark Anthony Benvenuto. Metals and Alloys: Industrial Applications. Walter de Gruyter GmbH & Co KG. 2016. ISBN 9783110441857. 
  10. ^ E5. TAG: (pt.1-2) Electricity and use. Electric Power Research Institute. 1986. 
  11. ^ Tom Langill. What does the cold galvanizing process consist of?. American Galvanizers Association. 2010-06-19 [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-13). 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 10 Real Benefits of Galvanized Steel. Galvanizers Association of Australia. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-13). 
  13. ^ Unique characteristics. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-13). 
  14. ^ 陸師成. 辭彙. 文化圖書公司. 1987: 160. 
  15. ^ Wayne Gisslen. Professional Cooking, College Version 7. John Wiley & Sons. 2010: 24. ISBN 9780470197523. 
  16. ^ FDA Food Code 2009: Annex 3 - Public Health Reasons / Administrative Guidelines - Chapter 4, Equipment, Utensils, and Linens. U.S. Food and Drug Administration. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-17). 
  17. ^ FDA Food Code 2009: Chapter 4 - Equipment, Utensils & Linens. U.S. Food and Drug Administration. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-17). 
  18. ^ 18.0 18.1 How Much Does HDG Cost?. American Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-04-03). 
  19. ^ 19.0 19.1 19.2 Why galvanizing is sustainable. Galvanizers Association. [2016-12-17]. (原始內容存檔於2016-12-13). 
  20. ^ Richard Zawadzki. Hot dip galvanizing the problem of emission control. Anti-Corrosion Methods and Materials (MCB UP Ltd). 1995, 42 (5). doi:10.1108/eb007372.