PANI/EP复合涂层对不锈钢在硫酸溶液中的保护作用
发布时间：2021-08-18 11:10
目的开发一种能够在热硫酸介质中长期保护316L不锈钢的新型复合涂层。方法使用化学氧化法制备一次掺杂聚苯胺（PANI）,通过脱掺杂-二次掺杂制备十二烷基苯磺酸（DBSA）掺杂的二次掺杂聚苯胺,并添加环氧树脂（EP）作为成膜剂制备PANI/EP复合涂层。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱（EDS）等方法,对材料的官能团、结构和形貌进行表征,用电化学测试法和划痕浸泡实验测试PANI/EP复合涂层的耐蚀性能,并对复合涂层的保护机理进行探讨。结果在50、60℃的1mol/L硫酸溶液中,PANI/EP复合涂层试样的自腐蚀电位相对不锈钢显著提高,其中50℃时提高了560 mV,60℃时提高了450m V,均达到不锈钢的钝化电位,阳极极化曲线电流密度下降了两个数量级。电化学交流阻抗测试表明,涂覆涂层后,试样的阻抗模值明显增大。划痕浸泡试验表明,在50℃的1 mol/L硫酸溶液中浸泡一周后,PANI/EP复合涂层试样没有发生脱落,且划痕处几乎没有腐蚀,主要原因是涂层促使不锈钢表面生成了稳定的钝化膜。结论在中温硫酸溶液中,PANI/EP复合涂层对不锈钢同时提供物理屏...
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
PANI粉末和PANI/EP复合涂层的SEM图像以及PANI/EP复合涂层截面的EDS元素面扫描分析
图1为PANI/EP复合涂层与PANI粉末的红外吸收光谱图。在PANI粉末的吸收曲线（红色）中，位于1560 cm-1和1470 cm-1处的吸收峰分别归因于C==C的伸缩振动和醌式结构[12];1300 cm-1为C—N伸缩振动吸收峰[13];1250 cm-1处有吸收峰，是与苯环相连的C—N+伸缩振动[14];1120 cm-1处的吸收峰对应于醌环上C—H面内伸缩振动峰[12];820 cm-1处的吸收峰对应于二取代苯环的C—H面外弯曲振动峰[4]，均与文献中记载PANI的吸收峰一致。在PANI/EP复合涂层的吸收曲线上，位于3000～3700 cm-1处宽的吸收峰为材料表面O—H的伸缩振动[15];2871 cm-1和2925 cm-1分别为聚苯胺的N—H和C—H伸展振动峰[5]；在1495 cm-1和1609 cm-1处的峰与C==O拉伸振动相关，且位于914 cm-1处的峰为环氧基的特征吸收峰，即环氧环的骨架振动峰[16]。此外，在1245、1043、691 cm-1处的峰与不对称的O—S—O拉伸振动和C—S拉伸振动相关，表明二次掺杂磺酸基团已成功引入聚苯胺链[4,11,17]。图2为PANI粉末和PANI/EP复合涂层的扫描电子显微镜图像与PANI/EP复合涂层截面的EDS面扫描结果图。从图2a中可以看出，制备得到的PANI粉末为数微米至数十微米的包心菜状或花菜状颗粒[12]。从图2b中可以看出，PANI/EP复合涂层表面光滑平整，未观察到表面团聚、相分离、裂纹等缺陷。图2c则显示PANI/EP复合涂层截面没有明显的微观孔隙和缺陷，结构紧密、均匀，同时可以看出涂层与基体界面结合较好。N元素是PANI的特征元素，涂层截面的选区EDS分析结果中可以看到N元素分布均匀（图2d—f），说明PANI粉体在EP中均匀分散，且主要为纳米级，没有显著的团聚现象。
图4为316L不锈钢与分别涂覆PANI/EP复合涂层和EP涂层后的试样在不同温度的1 mol/L硫酸溶液中的交流阻抗Nyquist图，以及PANI/EP复合涂层试样阻抗拟合等效电路图。在30～80℃下316L不锈钢的容抗弧半径最小，其数值只达到102数量级，且随温度的升高而减小，当温度超过50℃时，出现了双曲线扩散动力学特征，反映了不锈钢处于活化极化控制的活性溶解机理，70℃和90℃时则发生了剧烈的活性溶解腐蚀。在交流阻抗Nyquist图中，高频容抗弧反映出涉及界面电荷转移的各步骤总阻力，低频容抗弧可以反映出涂层的物理屏蔽性能以及界面扩散有关的动力学信息，在涂覆EP涂层和PANI/EP复合涂层后，EP涂层的高频容抗弧达到了106数量级，而PANI/EP复合涂层的高频容抗弧达为105数量级，其与EP涂层相比较小的原因是PANI/EP复合涂层中加入了高导电性PANI。由于导电PANI的氧化还原反应特性，在硫酸溶液中，PANI对不锈钢基体产生阳极保护时，涂层为阴极，从基体得到电子，因此涂层中的聚苯胺自身被还原。而还原态的聚苯胺受到溶液中的质子掺杂，又重新被氧化。还原反应与氧化反应达到平衡时，聚苯胺的氧化还原状态逐渐趋向具有高导电性的半氧化半还原态的PANI，导致PANI/EP复合涂层的导电性能提高，因此涂层的阻抗减小[9,20]。低频段则均体现出Warburg阻抗的特征，说明存在腐蚀产物或是反应物在涂层中的扩散现象[2]。而随着温度的升高，复合涂层的容抗弧逐渐减小，但仍比316L不锈钢高出3～4个数量级。图4 316L不锈钢与EP涂层试样和PANI/EP复合涂层在不同温度下1 mol/L硫酸溶液中的交流阻抗Nyquist图与PANI/EP试样阻抗拟合等效电路图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effects of N-alkylation on anticorrosion performance of doped polyaniline/epoxy coating[J]. Suyun Liu,Li Liu,Ying Li,Fuhui Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2020(04)
[2]氧化石墨烯复合材料在包装领域应用的研究进展[J]. 孙玮婧,徐淑艳,田雯雯,谢静怡,武亚敏. 包装工程. 2018(11)
[3]水性环氧防腐涂料研究[J]. 崔灿灿,王磊,刘浩亮,郭晓军,韩忠智,段绍明,丁超,张其滨. 表面技术. 2017(12)
[4]金属腐蚀防护有机涂料的研究进展[J]. 边洁,王威强,管从胜. 材料科学与工程学报. 2003(05)
本文编号：3349777
【文章来源】：表面技术. 2020,49(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
PANI粉末和PANI/EP复合涂层的SEM图像以及PANI/EP复合涂层截面的EDS元素面扫描分析
图1为PANI/EP复合涂层与PANI粉末的红外吸收光谱图。在PANI粉末的吸收曲线（红色）中，位于1560 cm-1和1470 cm-1处的吸收峰分别归因于C==C的伸缩振动和醌式结构[12];1300 cm-1为C—N伸缩振动吸收峰[13];1250 cm-1处有吸收峰，是与苯环相连的C—N+伸缩振动[14];1120 cm-1处的吸收峰对应于醌环上C—H面内伸缩振动峰[12];820 cm-1处的吸收峰对应于二取代苯环的C—H面外弯曲振动峰[4]，均与文献中记载PANI的吸收峰一致。在PANI/EP复合涂层的吸收曲线上，位于3000～3700 cm-1处宽的吸收峰为材料表面O—H的伸缩振动[15];2871 cm-1和2925 cm-1分别为聚苯胺的N—H和C—H伸展振动峰[5]；在1495 cm-1和1609 cm-1处的峰与C==O拉伸振动相关，且位于914 cm-1处的峰为环氧基的特征吸收峰，即环氧环的骨架振动峰[16]。此外，在1245、1043、691 cm-1处的峰与不对称的O—S—O拉伸振动和C—S拉伸振动相关，表明二次掺杂磺酸基团已成功引入聚苯胺链[4,11,17]。图2为PANI粉末和PANI/EP复合涂层的扫描电子显微镜图像与PANI/EP复合涂层截面的EDS面扫描结果图。从图2a中可以看出，制备得到的PANI粉末为数微米至数十微米的包心菜状或花菜状颗粒[12]。从图2b中可以看出，PANI/EP复合涂层表面光滑平整，未观察到表面团聚、相分离、裂纹等缺陷。图2c则显示PANI/EP复合涂层截面没有明显的微观孔隙和缺陷，结构紧密、均匀，同时可以看出涂层与基体界面结合较好。N元素是PANI的特征元素，涂层截面的选区EDS分析结果中可以看到N元素分布均匀（图2d—f），说明PANI粉体在EP中均匀分散，且主要为纳米级，没有显著的团聚现象。
图4为316L不锈钢与分别涂覆PANI/EP复合涂层和EP涂层后的试样在不同温度的1 mol/L硫酸溶液中的交流阻抗Nyquist图，以及PANI/EP复合涂层试样阻抗拟合等效电路图。在30～80℃下316L不锈钢的容抗弧半径最小，其数值只达到102数量级，且随温度的升高而减小，当温度超过50℃时，出现了双曲线扩散动力学特征，反映了不锈钢处于活化极化控制的活性溶解机理，70℃和90℃时则发生了剧烈的活性溶解腐蚀。在交流阻抗Nyquist图中，高频容抗弧反映出涉及界面电荷转移的各步骤总阻力，低频容抗弧可以反映出涂层的物理屏蔽性能以及界面扩散有关的动力学信息，在涂覆EP涂层和PANI/EP复合涂层后，EP涂层的高频容抗弧达到了106数量级，而PANI/EP复合涂层的高频容抗弧达为105数量级，其与EP涂层相比较小的原因是PANI/EP复合涂层中加入了高导电性PANI。由于导电PANI的氧化还原反应特性，在硫酸溶液中，PANI对不锈钢基体产生阳极保护时，涂层为阴极，从基体得到电子，因此涂层中的聚苯胺自身被还原。而还原态的聚苯胺受到溶液中的质子掺杂，又重新被氧化。还原反应与氧化反应达到平衡时，聚苯胺的氧化还原状态逐渐趋向具有高导电性的半氧化半还原态的PANI，导致PANI/EP复合涂层的导电性能提高，因此涂层的阻抗减小[9,20]。低频段则均体现出Warburg阻抗的特征，说明存在腐蚀产物或是反应物在涂层中的扩散现象[2]。而随着温度的升高，复合涂层的容抗弧逐渐减小，但仍比316L不锈钢高出3～4个数量级。图4 316L不锈钢与EP涂层试样和PANI/EP复合涂层在不同温度下1 mol/L硫酸溶液中的交流阻抗Nyquist图与PANI/EP试样阻抗拟合等效电路图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effects of N-alkylation on anticorrosion performance of doped polyaniline/epoxy coating[J]. Suyun Liu,Li Liu,Ying Li,Fuhui Wang. Journal of Materials Science & Technology. 2020(04)
[2]氧化石墨烯复合材料在包装领域应用的研究进展[J]. 孙玮婧,徐淑艳,田雯雯,谢静怡,武亚敏. 包装工程. 2018(11)
[3]水性环氧防腐涂料研究[J]. 崔灿灿,王磊,刘浩亮,郭晓军,韩忠智,段绍明,丁超,张其滨. 表面技术. 2017(12)
[4]金属腐蚀防护有机涂料的研究进展[J]. 边洁,王威强,管从胜. 材料科学与工程学报. 2003(05)
本文编号：3349777
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