金属表面自愈合涂层的制备及防腐性能研究

摘要

金属腐蚀是生产生活中极为常见的现象，其在导致直接经济损失的同时，也带来大量能源浪费和安全隐患。因此金属腐蚀问题必须得到全社会的重视。在众多防腐策略中，涂层防护与缓蚀剂添加是应用最普遍的两种防腐措施。然而，涂层破损后无法修复，缓蚀剂易流失等问题极大限制了它们的应用。本文提出利用材料表面微结构封装缓蚀剂来赋予涂层自愈合功能的新方法，设计了三种新型自愈合涂层用于金属的腐蚀保护。
　　首先，采用化学氧化法在铜表面原位制造棒状微结构的氢氧化铜，再通过八羟基喹啉(8HQ)水溶液转化获得八羟基喹啉铜网状多孔膜(CNF)。借助扫描电子显微镜(SEM)分析CNF的微观形貌，通过X射线衍射(XRD)等测试手段确认八羟基喹啉铜的转化，并采用交流阻抗(EIS)对比分析转化后所得结构的耐蚀性能。随后，采用浸润及蒸发溶剂法，将苯并三氮唑(BTA)缓蚀剂封装到CNF内，并在表面旋涂一层环氧作为物理屏蔽层。利用EIS、极化曲线(PC)分析人为划伤涂层的自愈合防腐性能。结果表明:控制转化时间为60分钟可以在铜表面原位构造稳定的CNF，并为缓蚀剂储藏提供大比表面积的网状封装空间。涂层的受损使封装在CNF内的BTA以及吸附的8HQ迅速被释放，并在协同效应下抑制基体腐蚀。
　　其次，在超声环境下采用化学刻蚀法并以表面活性剂CTAB为模板，在铜表面构造球型微坑(SMP)。通过控制刻蚀时间来获得最佳的封装结构，并借助SEM分析SMP随刻蚀时间延长而发生的表面形貌的变化。缓蚀剂封装后，运用红外吸收光谱仪(FT-IR)和热重分析仪(TGA)对BTA的封装情况做定性和定量分析。利用EIS、紫外分光光度计、SEM分析人为划伤涂层的自愈合防腐性能。结果表明:控制刻蚀时间为15分钟可以得到深度为50-60μm分布均匀的球形微坑，为缓蚀剂的储藏提供了理想的封装空间。如果涂层受损，封装在SMP内的BTA会迅速被释放并在一段时间内保持局部BTA浓度稳定抑制基体腐蚀。
　　最后，采用电沉积法并以氢气泡为模板，在铜表面制造3D多孔微结构(PMS)。通过SEM分析HCl和Na2SO4对多孔结构的表面改性情况，并运用XRD验证所得PMS的成分。缓蚀剂封装后，对封装情况做定性和定量分析。利用紫外分光光度计、EIS、PC、SEM和能量色散X射线光谱(EDX)分析人为划伤涂层的自愈合防腐性能。结果表明:通过在基础镀液中加入0.5mol/LNa2SO4和0.2mL/LHCl两种添加剂，能有效改善多孔结构。所得PMS孔壁致密无枝晶，孔隙分布均匀，且多孔内部结构具有良好的3D连通性。一旦涂层受损可以在很长时间内借助结构的内部连通性能不断往受损部位释放缓蚀剂，形成对基体的长效保护。