锌层超疏水膜层的制备及其耐腐蚀性研究

发布时间：2020-04-29 11:28

【摘要】：热浸镀锌在潮湿情况下易发生腐蚀,产生白锈,影响其外观质量和使用性能。因此,钢铁在热浸镀锌后往往需要钝化处理,铬酸盐可以在锌层表面形成一层钝化保护膜提高基体抗白锈能力,但是由于环境问题不适于工业化生产。超疏水材料主要指与水接触角大于150°的材料,广泛应用于自清洁、油水分离、防雾、防污、减阻及耐腐蚀等方面。但是在锌基体上构筑耐腐蚀超疏水膜层以取代剧毒常规铬酸盐的研究不多。本论文采用浸渍提拉法,在热浸镀锌上构筑两种不同成分和形貌的微纳米复合粗糙结构,经低表面能物质改性后获得了超疏水性。对所制备膜层的组成成分、结构和润湿性等进行表征,并研究了其耐腐蚀性、化学稳定性和机械稳定性等。采用溶胶凝胶法,以异丙醇铝(AIP)为前驱物,乙酰乙酸乙酯(EAcAc)为螯合剂,硝酸(HNO_3)为催化剂及胶溶剂在85℃下持续搅拌水解得到透明氧化铝溶胶,常温下通过浸渍-提拉法在热浸镀锌层制备出粗糙多孔网状氧化铝膜层。在1.0%的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷(FAS)-乙醇溶液中改性处理后得到超疏水氧化铝膜层。激光粒度分析仪表明,当n(AIP):n(EAcAc):n(HNO_3):n(H_20):n(EtOH)=1:1:0.5:200:5时,溶胶透明稳定,平均粒径为99.8 nm;接触角仪测定结果表明,膜层对水滴具有高粘附性,符合玫瑰花瓣模型。膜层随着氧化铝溶胶浸渍时间的增加疏水性先增加后减小,当浸渍时间为24 h时膜层接触角最大,为152°;场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)结果表明,膜层由氧化铝块状凝胶和网状氧化铝孔洞结构共同组成粗糙的微纳米复合结构,经低表面能物质改性后获得超疏水性;耐腐蚀试验结果表明,所制备超疏水膜层在腐蚀介质中稳定性差,短期内膜层被破坏,内部多孔结构容易为侵蚀介质提供腐蚀通道,加快了基体腐蚀速率;采用硝酸铈对常规磷化膜表面进行粗糙化处理,并经低表面能硬脂酸(STA)-乙醇溶液改性后得到超疏水膜层。接触角测试结果表明,所制备超疏水膜层对液滴呈现出低粘附性的荷叶效应。进一步研究发现,膜层的疏水性随着铈盐处理时间的增加先增加再减小,当处理时间为300 s时疏水性最好,接触角达到162±2°;场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及能谱分析仪(EDS)结果表明,铈盐处理常规磷化膜会发生部分溶解,铈盐在磷化膜表面发生沉积,生成磷酸盐/铈盐的复合膜层,该膜层的多孔结构有利于构筑超疏水表面所需要的粗糙结构;耐腐蚀试验结果表明,试样在腐蚀介质中会形成一种空气膜层,该空气膜层层阻挡侵蚀性离子进入,改性后的试样交流阻抗比纯锌提高两个数量级,表现出良好的耐腐蚀性。超疏水膜层在3.5wt.%的NaCl溶液中浸泡不同时间后耐腐蚀性能下降,但在浸泡6 h后耐腐蚀性仍明显优于纯锌层,表明超疏水膜层破坏后试样粗糙化的磷化/铈盐膜仍然对基体具有保护作用,实现对基体疏水和钝化的双重保护。
【图文】：

示意图,接触角,示意图,超疏水

正是这种微米-纳米复合结构以及低表面能的蜡质结晶赋予荷叶的自清洁性和超疏水性。自然界中还有许多植物表面，如玫瑰花瓣[34-36]、芋头叶[37-39]、水稻叶[40-42]等，以及动物身体上，如水龟的腿表面[43，44]、蝴蝶翅膀[45-47]、鲨鱼表皮[48]等同样具有超疏水性。其中水稻叶和蝴蝶翅膀的润湿具有各向异性[49-51]，而且各种超疏水表面在结构方面有一个共同特点，即都由一定结构的微米-纳米复合结构组成。1.3.2 超疏水表面的基本理论超疏水材料在理论研究和实际应用中具有广阔的应用前景，因而受到各界的广泛关注，它所呈现出的超疏水性是表面润湿性的一种反映。固体表面的润湿性是固体表面非常重要的特征。固体表面与水的接触角小于 90 的材料为亲水性材料，与水接触角小于10 的材料为超亲水材料。固体表面与水的接触角大于 90 的材料为疏水性材料，当固体表面与水接触角大于 150 时，，表现为超疏水性。

示意图,接触角,示意图,理想固体

华南理工大学硕士学位论文图 1-2 前进接触角、后退接触角示意图Fig. 1-2 Schematic diagram of advancing angle and receding angle本理论模型有 Young 理论、Cassie-Baxter 理论等。国科学家 Thomson Young 最先提出了理想固体(即固体材一)的静态接触角与表面张力之间的关系(即是经典的 YγLV
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

【参考文献】