超疏水涂层的制备及其在模拟环境中的防腐蚀性能研究

摘要

在大气环境中，尤其是在腐蚀性环境中，如热交换系统的盐酸除垢，海水净化系统与海水的长期浸泡，铜则易发生较为严重的腐蚀，限制了其实际应用，因此，提高铜的耐腐蚀性已经成为该领域重要的研究方向之一。
　　本论文结合超疏水防腐涂层的发展趋势，采用三种不同方法，在铜基底表面构建了超疏水表面，考察了相应的润湿性，系统研究了超疏水表面处理的铜基底在模拟液体中的防腐蚀性能，获得的主要成果有:
　　1.采用溶胶-凝胶法，在铜基表面构建了杂化硅氧烷涂层。以乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)为前驱体，碱催化条件下，在酸刻蚀的铜片上合成了乙烯基杂化二氧化硅涂层。在无水乙醇、水、氨水、前驱体VTMS体积比为35∶2.0∶1.0∶1.5时，反应24小时，所合成的乙烯基杂化二氧化硅涂层具有超疏水性，其接触角为158±1.7°。同时，运用Cassie-Baxter模型对涂层的疏水机理进行了阐述。
　　2.合成了一种含氟聚合物接枝的具有可修复功能的超疏水和超顺磁复合颗粒。首先通过共沉淀法制备了Fe3O4纳米颗粒，然后在Fe3O4纳米颗粒表面包覆一层乙烯基封端的硅烷，形成Fe3O4@SiO2@MPS纳米结构，最后，丙烯酸六氟丁酯（HFBA）单体在引发剂偶氮二异丁氰引发下，与乙烯基封端的Fe3O4@SiO2@MPS粒子共聚，得到P(HFBA)-g-Fe3O4@MPS复合颗粒。将质量分数为10％的复合颗粒/甲苯混合体系涂覆在不同基材表面，可获得超疏水涂层，涂层与水的接触角达150°。该涂层在室温下放置12个月以上，仍具有超疏水性;在pH为2～12的不同环境下，超疏水涂层具有较好的稳定性。对刮伤的涂层进行修复后，涂层又恢复了超疏水特性。
　　3.采用水热法在铜基表面原位构建了具有片状、六角菱形状、菜花状及无规块状等多种形貌的氧化铜微纳米结构。在0.01 mol·L-1同浓度等体积的醋酸铜和六次甲基四胺混合溶液中，水热温度90℃，反应时间24小时条件下，所制备的氧化铜为尺寸均匀的六角菱形结构。用质量分数为2％的硬脂酸/乙醇溶液对表面生成有六角菱形状氧化铜膜进行了浸渍涂覆，获得了硬脂酸涂覆的超疏水氧化铜膜，其接触角达157±1.7°。
　　4.运用电化学工作站，对比研究了上述超疏水涂层在模拟环境中的防腐蚀性能。结果表明，在浸泡初期，由于超疏水涂层的存在，其自腐蚀电流密度（icorr）明显降低，而阻抗(Rct)显著增加，表现出优异的耐腐蚀性能。而到浸泡后期， icorr和Rct值与空白试样的值到同一数量级，超疏水涂层对基体的防腐作用明显降低。运用扫描电镜和X-射线光电子能谱对浸泡前后涂层的形貌和化学组成进行了分析，并讨论了影响涂层的润湿性变化的主要原因。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 铜及其在工业中的应用

1．2 铜的腐蚀及其研究现状

1．3 金属防腐涂层研究进展

1．3．1 固体表面的超疏水原理

1．3．2 超疏水防腐涂层的研究现状

1．4 本论文的研究目的和内容

1．5 本论文的创新点

2 实验部分

2．1 实验所用的材料与试剂

2．1．1 主要材料与试剂

2．1．2 辅助试剂

2．1．3 主要设备与仪器

2．2 超疏水涂层的制备及其防腐蚀性能研究

2．2．1 溶胶-凝胶法制备乙烯基杂化二氧化硅涂层

2．2．2 超疏水和超顺磁杂化颗粒的制备

2．2．3 氧化铜超疏水涂层的原位构建

2．2．4 电化学测试超疏水涂层的防腐蚀性能

2．3 材料分析测试方法

3 溶胶-凝胶法制备乙烯基杂化二氧化硅涂层

3．1 乙烯基三甲氧基硅烷的反应机理

3．2 工艺参数对杂化硅氧烷涂层形貌和润湿性的影响

3．2．1 溶剂水对涂层形貌和润湿性的影响

3．2．2 反应时间对涂层形貌和润湿性的影响

3．2．3 催化剂氨水对涂层形貌和润湿性的影响

3．2．4 前驱体量对涂层形貌和润湿性的影响

3．3 杂化硅氧烷涂层的化学成分分析

3．3．1 杂化涂层的红外结果分析

3．3．2 杂化涂层的EDS能谱分析

3．3．3 杂化涂层的XPS结果分析

3．4 杂化硅氧烷涂层的润湿性研究

3．5 本章小结

4 超疏水和超顺磁复合颗粒的制备与表征

4．1 四氧化三铁的合成原理

4．2 超疏水和超顺磁复合颗粒的晶相分析

4．3 超疏水和超顺磁复合颗粒的形貌分析

4．4 超疏水和超顺磁复合颗粒的化学组成分析

4．4．1 复合颗粒的红外光谱结果分析

4．4．2 复合颗粒的EDS能谱分析

4．4．3 复合颗粒的XPS结果分析

4．5 超疏水和超顺磁复合颗粒的热稳定性分析

4．6 超疏水和超顺磁复合颗粒的磁学性能分析

4．7 由复合颗粒制备的涂层表面润湿性分析

4．8 超疏水和超顺磁复合颗粒的应用研究

4．9 本章小结

5 氧化铜超疏水涂层的原位构建及表征

5．1 水热法合成的氧化铜晶相分析

5．2 水热合成工艺对氧化铜形貌的影响

5．2．1 反应物浓度对氧化铜形貌的影响

5．2．2 反应温度对氧化铜形貌的影响

5．2．3 反应时间对氧化铜形貌的影响

5．3 氧化铜的TEM结果分析

5．4 氧化铜膜的原子力显微镜结果分析

5．5 水热法合成氧化铜的形成机理

5．6 氧化铜膜的表面化学成分分析

5．6．1 氧化铜膜的EDS能谱分析

5．6．2 氧化铜膜的XPS结果分析

5．7 表面化学组成对氧化铜膜的润湿性影响

5．8 本章小结

6 超疏水涂层的防腐蚀性能研究

6．1 超疏水涂层开路电位变化情况分析

6．2 电化学分析超疏水涂层的防腐蚀性能

6．3 腐蚀对超疏水涂层的表面形貌与化学组成的影响

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢