石墨烯增强绿色达克罗涂层制备及防护机理研究

摘要

达克罗涂层是一种优异的防腐涂层，但其成分中含有对人体有害的Cr6+，因此摒弃铬酐发展无铬达克罗技术成为现在的主流，由于缺少铬酐，现有的无铬达克罗涂层防腐性能有所下降。石墨烯是一种新型的二维片状纳米材料，其独特的结构能够有效的延缓腐蚀介质的渗透。本课题为了改善无铬达克罗耐蚀性能不足的问题，向涂液中添加石墨烯制备复合涂层以期提升涂层的耐蚀性能。 1、确定了涂液的理想配方以及涂层制备工艺。本文首先对涂液的主要成分进行了筛选。其次设计了L16（45）正交试验，试验以锌铝粉的比例，石墨烯、分散剂、粘结剂、缓蚀剂的含量为主要因素，以外观形貌、涂层结合力和耐蚀性能为评价指标，确定了涂液初始配方。在初始配方的基础上不断优化改进，最终确定了理想配方与制备工艺。涂层的理想配方为：锌粉14%、铝粉6%、石墨烯0~0.36%、粘结剂8%、缓蚀剂3%、分散剂2.4%、保护剂8%、增稠剂0.5%、消泡剂3~4滴、余为去离子水，其中石墨烯以0.12%的添加量为梯度，制备4种不同石墨烯含量的增强涂层；制备工艺为：90℃烘干10min，280℃烧结25min，反复烘涂两次。 2、分析了石墨烯增强涂层的综合性能。本文首先对涂液的分散性、稳定性和粘度进行了相关测试。其次对四种涂层的机械性能（附着力、硬度）和物理性能（外观、厚度）进行了较为详细的测试与比较。然后采用硝酸铵快速腐蚀试验、浸泡试验、中性盐雾试验测试了涂层的耐蚀性能，应用SEM、EDS、XRD、拉曼等方法观察分析了涂层腐蚀前后的组织形貌以及成分变化，明确了石墨烯在无铬达克罗涂层中的形貌与状态，并结合电化学试验，测试了四种涂层在模拟海水（3.5%NaCl溶液）中的开路电位、Tafel极化曲线以及电化学阻抗谱，对其结果进行比较并结合相应的等效电路分析了其增强防腐机理。 结果表明：四种涂层表面平整，附着力良好；石墨烯在涂层中以片状的结构嵌在锌铝粉之间，与片状锌铝粉层层交叠，添加石墨烯纳米片对涂层的微观形貌没有明显的影响；涂层厚度约为20~40μm，涂层硬度随着石墨烯含量的增加而增加，0.36%石墨烯增强涂层的硬度最高，为212.45HV。0.12%石墨烯增强涂层在硝酸铵快速腐蚀试验、盐水浸泡试验和中性盐雾试验中表现最为优异，其耐腐蚀时间分别为5h、1030h和800h。电化学试验结果显示，在3.5%NaCl溶液中所有添加石墨烯纳米片的涂层的自腐蚀电位都低于基体而又高于无铬达克罗涂层，其中0.12%石墨烯增强涂层的电位最低，为-735mV，且电流密度维持在10-7数量级；涂层Nyquist低频半径和Bode幅值在同一时间段内的最大值均为0.12%石墨烯增强涂层；拟合结果显示在浸泡初期，添加石墨烯的涂层有更小的Cc值。涂层经800h盐雾试验后Zn、Al元素比重明显降低，O元素比重显著增加，XRD图谱显示在腐蚀过程中Zn最先被消耗，Al与其他物质发生化学反应生成难溶于水的致密腐蚀产物。综上石墨烯的加入能够提高涂层的自腐蚀电位，降低涂层的自腐蚀电流，延缓腐蚀介质的浸入，石墨烯最佳添加量为0.12wt.%。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 达克罗技术简介

1.3 无铬达克罗简介

1.4 石墨烯金属防腐研究现状

1.5 研究意义及内容

1.5.1 研究意义

1.5.2 研究内容

1.6 创新点

第2章 实验材料和方法

2.1 化学试剂、原料及实验仪器

2.2 涂层制备及涂覆方法

2.2.1试样处理

2.2.2涂液配置及涂覆

2.3 涂液性能测试方法

2.3.1 分散性测试

2.3.2 稳定性测试

2.3.3 粘度测试

2.4 涂层常规性能测试方法

2.4.1 机械性能测试

2.4.2 物理性能测试

2.4.3 耐蚀性能测试

2.5 涂层微观形貌及成分分析

2.6 本章小结

第3章 石墨烯增强绿色达克罗涂层制备

3.1 石墨烯分散性处理

3.2 涂料基本成分的确定

3.2.1金属粉的选择

3.2.2分散剂的选择

3.2.3粘结剂的选择

3.2.4缓蚀剂的选择

3.2.5消泡剂的选择

3.2.6增稠剂的选择

3.3 理想配方的确定

3.3.1正交试验设计

3.3.2试验结果及分析

3.3.2确定理想配方

3.4 本章小结

第4章 石墨烯增强绿色达克罗涂层性能评价及分析

4.1 涂液指标测试分析

4.1.1 分散性测试分析

4.1.2 稳定性测试分析

4.1.3 粘度测试

4.2 涂层常规性能测试分析

4.2.1厚度测试分析

4.2.2附着力测试分析

4.2.3涂层硬度测试分析

4.2.4外观及表面形貌测试分析

4.3 涂层耐蚀性能测试分析

4.3.1耐硝酸铵溶液性能测试分析

4.3.2耐盐水性能测试分析

4.3.3中性盐雾测试分析

4.3.4电化学测试分析

4.4 未腐蚀涂层微观形貌及成分分析

4.4.1涂层微观形貌分析

4.4.2涂层成分分析

4.5 腐蚀涂层微观形貌及成分分析

4.5.1耐盐雾涂层微观形貌及成分分析

4.5.2耐硝酸铵溶液涂层微观形貌及成分分析

4.6 XRD物相分析

4.7石墨烯增强绿色达克罗涂层耐蚀性机理分析

4.7.1阴极保护作用

4.7.2钝化作用

4.7.3物理屏蔽作用

4.8 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

声明