铁质文物硅烷缓蚀封护膜的制备及其耐蚀性能研究

摘要

铁器在社会发展过程中起到了至关重要的作用，它推动了古代生产力和军事实力的发展。然而，由于铁器自身结构不均匀，杂质较多，性质不稳定，极易遭到环境的影响，现存和出土的铁质文物都存在被腐蚀的现象。因此，对铁质文物进行保护，以尽可能延长其文化寿命，是非常必要的。 封护是铁质文物保护的重要方法之一。目前以烷基硅氧烷为前驱体的防腐涂层受到广泛的重视，已用于多种金属材料的防腐，也用于铁质文物的封护材料。本文采用硅氧烷 3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）与苯并三氮唑（BTA）加热回流反应制备了含缓蚀基团的硅烷偶联剂，简称KH560/BTA硅烷缓蚀封护液。以碳钢试片模拟铁质文物，采用浸渍法在碳钢表面制备硅烷缓蚀封护膜，通过红外分析探究硅烷缓蚀封护液在碳钢基体表面的成膜原理。以极化曲线为主，通过单因素实验和正交试验考察了反应配比n(KH560)/n(BTA)、反应温度、反应时间和溶液质量浓度等对缓蚀封护液制备工艺条件的影响。研究结果表明，KH560/BTA 缓蚀封护液的最佳合成工艺条件为：n(KH560)/n(BTA)=1:1.2、反应温度130℃，反应时间1 h，溶液质量浓度为30%。 在缓蚀封护液合成工艺的最佳条件下，通过考察浸渍温度、浸渍时间、固化温度、固化时间等因素对耐蚀性能的影响来确定成膜的最佳工艺条件。同时通过极化曲线、交流阻抗、盐雾腐蚀及氯化钠浸泡实验，与空白、KH560水解、磷化等处理试样进行了比较。结果表明，成膜的最佳工艺条件为：浸渍温度45℃，浸渍时间60 s，固化温度120℃，固化时间2 h。KH560/BTA缓蚀封护膜与单一KH560 水解封护膜的防腐效果相比，腐蚀电流密度大幅度降低，腐蚀电阻增大数十倍，耐蚀性能大大提高，与磷化处理效果相比，自腐蚀电流密度降低了近1个数量级，膜层电阻提高了3~10倍，耐NaCl溶液浸泡能力增强，能有效阻止腐蚀介质的渗入，进一步提高了对铁基体表面的保护作用。 为进一步提高膜层的防腐性能，我们在KH560/BTA硅烷缓蚀封护液合成的过程中加入含氨基的硅烷偶联剂 3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷（APEDS），制备出了 APEDS-KH560/BTA 复合缓蚀封护液。并对其合成工艺、膜层制备工艺及在铁基体表面处理后的耐蚀性能方面做了试验性的研究。通过正交试验结果确 定了 APEDS-KH560/BTA 复合缓蚀封护膜的最佳制备工艺条件为：n(KH560):n(APDES):n(BTA)=3:0.5:2，反应温度100℃，反应时间1.5 h，浸渍浓度40%，浸渍温度 15 ℃，浸渍时间 120 s，固化温度 80 ℃，固化时间 2 h。APEDS-KH560/BTA与KH560/BTA缓蚀封护膜层相比较自腐蚀电位正移，腐蚀电流密度降低，腐蚀电阻值增大，耐氯化钠能力增强，抗腐蚀性增强。 最后选取带锈试样为保护对象，分别采用单宁酸、磷酸、单宁酸-磷酸、磷化液将不稳定锈层向稳定锈层转化，形成转化膜层，并对转化试样分别使用KH560/BTA与APEDS-KH560/BTA缓蚀封护液进行封护。通过极化曲线、硫酸铜点滴、中性盐雾腐蚀试验等方法测试转化、转化-封护试样的耐蚀性能。结果表明，转化试样中经磷化液转化的膜层腐蚀电流密度最小，经8 h盐雾腐蚀试验后腐蚀程度最轻。磷化-APEDS-KH560/BTA缓蚀封护试样，腐蚀电流密度最小，耐盐雾时间最长，24 h后变化不大，抗腐蚀效果最好，磷化-KH560/BTA缓蚀封护试样保护效果次之。 该工艺对铁质文物具有一定的保护作用，不但提高了硅烷处理液的稳定性，同时提高了膜层在铁基体表面的致密性及耐蚀性能，从而进一步提高膜层的寿命，具有一定的应用价值。

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