铁表面构建烷氧基硅烷超疏水涂层及其耐蚀性能研究

发布时间：2019-07-12 16:20

【摘要】：金属由于其多种优良的性能被广泛地应用于各个行业,但是金属在大气环境中容易发生腐蚀,造成的巨大的经济损失约占当年GDP的4%。为了减少腐蚀给人们带来的危害,工业上通常在金属表面构建防腐涂层,在金属样品涂装之前磷化和铬酸盐钝化是常用的金属表面预处理方法,但是磷化工艺产生的废渣和亚硝酸盐以及铬化工艺产生的六价铬会污染环境。自然界中荷叶表面是比较典型的超疏水现象而这种表面的水接触角在150°以上并且滚动角要小于10°,其表面经常一尘不染是因为水滴滚动时会将污染物带走,且水滴本身不会润湿荷叶表面。在金属表面构造如同荷叶表面的结构,研究其抗腐蚀性能,这是一个重要的发展方向。本文主要通过化学刻蚀法和电沉积法在铁表面构建了微纳米结构,然后利用自组装技术在粗糙表面自组装一层硅烷薄膜,因为硅烷分子特殊的结构(1个硅烷分子水解后含有三个硅羟基)使其可以依靠硅羟基与金属表面的活性物质的缩合反应在金属表面吸附形成一层硅烷膜从而实现了对金属基底的良好的保护作用同时能够降低基底的表面自由能成功制备出超疏水涂层。本论文的主要研究内容和实验结果总结如下:(1)采用化学刻蚀法在铁表面构建了二级阶层粗糙的微纳米结构之后使用含有一定比例的二氧化硅溶胶和正辛基三乙氧基硅烷水解液的混合液对粗糙表面进行疏水处理,得到的超疏水涂层的形貌特征、表面粗糙度和润湿性、表面分子结合方式以及其抗腐蚀性能可以通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、接触角测量仪和光电子能谱(XPS)以及电化学测试方法获得相关信息。通过形貌分析刻蚀后的铁表面产生了均匀的粗糙的微纳米结构;该粗糙表面经过混合液处理后表面均匀地覆盖了一层二氧化硅球,这样的结构增加了表面粗糙度且呈现疏水性能(表面水接触角达到155°,滚动角小于10°);由XPS可以看出硅烷分子在金属表面的成膜方式即水解的正辛基三乙氧基硅烷分子与金属表面的羟基或者金属氧化物发生缩合反应而且硅烷分子之间发生脱水缩合形成-Si-O-Si-键这就造成了铁表面的烷氧基硅烷膜层是网状的多分子膜层;稳态极化曲线及电化学阻抗谱的结果表明,超疏水涂层覆盖铁基底后,电流密度显著减小,电荷传递电阻明显变大,起到了很好的防腐效果。(2)采用电沉积方法在铁表面形成粗糙的结构,然后使用掺杂有改性二氧化硅的十八烷基三甲氧基硅烷水解液进行表面疏水处理,得到了超疏水涂层。SEM谱图分析表明制备得到的含有氧化锌涂层的铁片表面布满了比较粗糙的微纳米凸起结构而经过超疏水处理后的铁片表面(水接触角能够达到160°且滚动角小于5°)虽然依然粗糙但是涂层比较致密均匀。对XPS进行分析发现,由于硅烷分子覆盖在氧化锌涂层表面,超疏水涂层表面氧元素含量减少而碳元素含量增加。电化学阻抗谱和稳态极化曲线的研究结果表面,超疏水涂层的腐蚀缓蚀效率很高,使得腐蚀电流密度显著减小,起到了很好的防腐作用。通过电化学测试结果表明以上两种能够在钢铁表面构筑微纳米级分级结构且成功制备超疏水薄膜的方法都能够起到优异的防腐效果。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ630.1

【参考文献】