陳 君1,張勤勇1,宋影偉,單大勇,韓恩厚
(1.西華大學(xué)先進(jìn)材料及能源研究中心,四川 成都 610039;2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料環(huán)境腐蝕中心,遼寧 沈陽(yáng) 110016)
水滑石類化合物的主體層板內(nèi)有較強(qiáng)的共價(jià)鍵存在,而層間則是一種弱的相互作用力;層間陰離子通過(guò)氫鍵、范德華力、靜電作用等與層板結(jié)合,因此HTs層間陰離子具有可交換性。這些特殊的結(jié)構(gòu)使此類材料具有許多獨(dú)特的性質(zhì),人們可以利用這些性能對(duì)水滑石進(jìn)行調(diào)控,制備出具有不同用途和性能的水滑石功能材料,在催化、吸附、醫(yī)藥、軍工、防腐材料等很多領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。本文重點(diǎn)介紹水滑石類化合物的性質(zhì)、制備及其在腐蝕應(yīng)用方面的研究進(jìn)展,以引起廣大工程技術(shù)人員對(duì)水滑石膜層在腐蝕防護(hù)應(yīng)用方面的重視和關(guān)注。
水滑石的主體層板和層間客體的組成和結(jié)構(gòu)的特殊性,賦予它眾多獨(dú)特的性能,主要具有以下一些性質(zhì)。
1)層板組成的可變性。組成水滑石層板的M2+或M3+可用其他的金屬離子代替,形成新的層狀類水滑石物質(zhì)。一般地,只要金屬陽(yáng)離子的離子半徑適宜,就可形成HTs層板。其中研究較多的M2+有Mg2+、Zn2+、Ca2+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Ni2+等,M3+有Al3+、Cr3+、Fe3+、Ga3+、Co3+、Ln3+(稀土金屬離子)等。M3+取代M2+的范圍是0.20≤x≤0.33(x為M3+/(M2++M3+)的摩爾比),即在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的HTs組成中,M2+和M3+物質(zhì)的量之比為4/1~2/1,因此,HTs的層板化學(xué)組成具有很強(qiáng)的可調(diào)控性。
2)層間陰離子的可交換性。水滑石的主體層板和層間陰離子通過(guò)弱化學(xué)鍵如氫鍵等連接,因此層間陰離子易于與外來(lái)陰離子交換,但是對(duì)外來(lái)陰離子的種類具有選擇性。利用水滑石的這一性能可將各種陰離子(無(wú)機(jī)、有機(jī)、配合物等)引入層間,以獲得具有不同功能的材料[4]。關(guān)于無(wú)機(jī)物插層的離子交換能力已經(jīng)得到較為廣泛和深入的研究,可用體積較大的陰離子去取代體積較小的陰離子,以此來(lái)改變層間距獲得更多的反應(yīng)空間,并暴露更多的活性中心。離子的交換能力及交換后層間陰離子的量、排列狀況等可通過(guò)主體層板的M2+/M3+比值來(lái)進(jìn)行調(diào)控[4]。
3)晶體粒徑的可控性。根據(jù)晶體學(xué)理論,調(diào)變水滑石形核時(shí)溶液的濃度、溫度可控制晶體的成核速率;調(diào)變?nèi)芤簼舛群蜏囟龋约熬Щ臅r(shí)間,可控制晶體的生長(zhǎng)速率:因此,水滑石的晶粒尺寸及分布可以在較寬范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控[5-6]。
4)記憶效應(yīng)。水滑石物質(zhì)在一定溫度下焙燒一定時(shí)間后,煅燒后的化合物可重新吸收水和陰離子,其結(jié)構(gòu)可部分或全部恢復(fù)到有序?qū)訝畹乃Y(jié)構(gòu)。一般而言,焙燒溫度在500 ℃以內(nèi),結(jié)構(gòu)的恢復(fù)是可能的,以Mg/A1-HTs為例,溫度在500 ℃內(nèi)的焙燒產(chǎn)物接觸水后,其結(jié)構(gòu)部分恢復(fù)[7]。
5)堿性及低表面能。水滑石層板上存在大量的氫氧基團(tuán),是弱堿性化合物,具有豐富的堿中心,可作為催化劑載體或固體堿催化劑應(yīng)用于多種催化反應(yīng)中;另外,水滑石因其特殊的層狀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出較低的表面能:因此在制備時(shí)無(wú)需輔助劑或高能耗的生產(chǎn)設(shè)備,便可獲得具有納米尺寸的水滑石,而且在應(yīng)用時(shí)易于均勻分散,不易聚集[8]。
水滑石一般主要通過(guò)鹽和堿、鹽和氧化物反應(yīng)以及離子交換反應(yīng)制得。為了制得理想的水滑石類材料,國(guó)內(nèi)外研究工作者做了大量的探索工作,通過(guò)改變合成路線、優(yōu)化合成工藝條件,衍生出不同的制備方法。
共沉淀法是通過(guò)金屬鹽的混合溶液與堿金屬氫氧化物反應(yīng)來(lái)獲得水滑石,它是最為常用的方法。其中金屬鹽可用硝酸鹽、氯化物、硫酸鹽和碳酸鹽等,堿可以用氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀等。
共沉淀法最主要的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣。幾乎所有的水滑石物質(zhì)都可用共沉淀法制備,只要調(diào)整M2+和M3+的原料比,就可制備出一系列[M2+]/[M3+]比值不同的水滑石物質(zhì);也可通過(guò)選擇不同種類的陰離子,制備一系列具有相同金屬離子但陰離子不同的水滑石。只有在鹽類不可溶或金屬離子在堿性介質(zhì)中不穩(wěn)定的情況下,才無(wú)法使用共沉淀法;但是共沉淀法耗時(shí)長(zhǎng)(一般需要6~168 h不等),結(jié)晶度也不夠理想,還會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物[9-13]。
離子交換法是當(dāng)某些類水滑石成分不能直接用共沉淀法制備時(shí),可先用共沉淀法制備出不同陰離子的類水滑石,然后用所需的陰離子去交換原有陰離子,得到所需的水滑石;因此,可以說(shuō)離子交換法是共沉淀法的一種補(bǔ)充。最近,Poznyak等[14]通過(guò)離子交換法,將有機(jī)緩蝕劑喹哪啶(QA)和巰基苯并噻唑(MBT)添加到水滑石中,所得的涂層具有很好的防腐效果。主要是因?yàn)檫@些緩蝕性有機(jī)陰離子能從水滑石膜中釋放出來(lái),起到了很好的抑制腐蝕的作用。
但離子交換法的使用會(huì)受一些因素的限制。1) 一般地,不能用交換能力低的陰離子去取代具有高交換能力的陰離子。常見無(wú)機(jī)陰離子的交換順序?yàn)镃O32->SO42->HPO4->OH->F->Cl->Br->NO3-,高價(jià)陰離子易于交換進(jìn)入水滑石的插層中間,而低價(jià)陰離子則易于被置換出來(lái)[15]。2) 水滑石主體層板的組成對(duì)離子交換反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響,如Mg-Al、Zn-Al系列水滑石通常容易進(jìn)行離子交換,而Ni-Al則較難。這種交換能力的差異與水滑石中水分子的結(jié)合形態(tài)有關(guān),層間結(jié)合水較少時(shí)則有利于交換,而表面結(jié)合水較多時(shí)則不利于交換[16]。
離子交換法是合成較大插層陰離子水滑石的重要方法,而且通過(guò)控制反應(yīng)條件,不僅可維持水滑石化合物原有的晶體結(jié)構(gòu),還可對(duì)層間陰離子的數(shù)量和種類進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝;但能用離子交換法來(lái)制備的水滑石種類是有限的,而且耗時(shí)。
水熱合成法是通過(guò)將含有構(gòu)成水滑石主體層板的金屬離子的氧化物或氫氧化物(如MgO、Al2O3、Mg(OH)2、Al(OH)3等),與混合堿溶液在高溫高壓下進(jìn)行水熱處理后,由金屬氧化物或氫氧化物進(jìn)行原子重排最終獲得水滑石。水熱法最大的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)高溫高壓可有效控制晶相及晶粒尺寸,獲得的水滑石層狀結(jié)構(gòu)明顯,晶相結(jié)構(gòu)完整,結(jié)晶度高[17]。
尿素法是利用尿素在溶液溫度超過(guò)90 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生分解的這一特點(diǎn),通過(guò)將分解出的氨溶于水中提供共沉淀的堿性環(huán)境,而分解出的CO2溶于水形成CO32-進(jìn)入層間,從而最終形成HTs/CO32-。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是溶液內(nèi)部的pH值始終保持穩(wěn)定,因而可以制備出高結(jié)晶度的Mg-Al、Ni-Al、Zn-Al類水滑石,但難以合成Co-Al、Co-Cr、Mn-Al等類水滑石[18]。曾虹燕等[19]分別采用尿素法和滴定共沉淀法制備了鎂鋁水滑石,發(fā)現(xiàn)尿素法制備的水滑石結(jié)晶度高、晶粒規(guī)整均勻,其催化活性明顯好于過(guò)飽和法制備的鎂鋁水滑石。
原位生長(zhǎng)法是在金屬基體表面直接生長(zhǎng)一層薄膜。原位生長(zhǎng)水滑石膜與制備水滑石粉體的重要不同之處在于,金屬基體成分在成膜液中發(fā)生溶解反應(yīng),并參與成膜過(guò)程,導(dǎo)致水滑石膜的生長(zhǎng)過(guò)程更加復(fù)雜。水滑石類材料需要在pH>10.5的堿性條件下生成[20],鋅和鋁都是兩性金屬,可在堿性溶液中發(fā)生溶解反應(yīng)生成Al3+或Zn2+。這些離子再與溶液中添加的其他組分結(jié)合形成水滑石涂層直接生長(zhǎng)在基體表面;因此,在鋅或鋁基合金上原位生長(zhǎng)水滑石膜要容易得多,已有不少關(guān)于在純鋁、鋁合金、氧化鋁基體以及覆蓋有鋁/鋅涂層的玻璃基板/不銹鋼基體上原位生長(zhǎng)Li-Al、Mg-Al、Ni-Al或Zn-Al水滑石膜的報(bào)道[12,21-25]。如Chen等[22-23]采用原位生長(zhǎng)法將陽(yáng)極氧化鋁/鋁基片置于可溶性二價(jià)金屬離子溶液(0.1 mol·L-1的Zn(NO3)2·6H2O和0.6 mol·L-1的NH4NO3)中,緩慢添加1%的氨水溶液直至pH值達(dá)到6.5。在45 ℃水浴中保溫36 h,利用基片表面的鋁源獲得薄膜,膜與基體具有較好的結(jié)合力和機(jī)械強(qiáng)度,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)處理可以得到具有超疏水性的薄膜。在鎂合金表面制備水滑石涂層的方法與在鋁、鋅合金上的不同。鎂在堿性溶液中是惰性的,不能溶解生成Mg2+;因此在鎂基體上原位生長(zhǎng)水滑石膜更為復(fù)雜,對(duì)成膜液的要求也特別苛刻。需要將整個(gè)成膜過(guò)程分成2個(gè)階段完成:首先在酸性溶液中快速生成水滑石前驅(qū)體膜,然后在堿性溶液中使前驅(qū)體膜轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的水滑石涂層。已經(jīng)有在鎂合金上原位生長(zhǎng)水滑石膜的成功例子,Lin等[26-28]通過(guò)將AZ91合金浸泡在50 ℃的飽和碳酸溶液中,基體腐蝕溶解,這樣就提供了成膜所需的Mg2+和Al3+,隨著析氫反應(yīng)和基體的腐蝕,溶液pH值升高,達(dá)到成膜所需的堿性條件;但他們的研究方法不適合在含鋁量低的鎂合金上成膜,只適合高鋁含量的鎂合金。Chen等[29]通過(guò)在飽和碳酸溶液中滴加溶有飽和Al化合物的Na2CO3溶液的方法來(lái)添加Al成分,成功在AZ31這種低Al含量的鎂合金上原位生長(zhǎng)出Mg-Al水滑石膜。
共沉積法得到的薄膜與基體的結(jié)合力比較弱,當(dāng)膜較厚時(shí),很容易從基體上脫落。通過(guò)原位生長(zhǎng)法得到的薄膜是直接附著在基體上的,由于存在化學(xué)鍵合,因此膜與基體結(jié)合得更好[30]。另外,原位生長(zhǎng)法方法簡(jiǎn)單、易于操作,受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。
微波照射法[31]:用電磁波進(jìn)行加熱,頻率范圍在300 MHZ~300 GHz之間,與傳統(tǒng)的加熱方法比,可大大節(jié)省制備時(shí)間。利用該法制得的HTs往往具有更大的比表面以及更大的催化活性。Fetter等[32]控制pH值在10.5附近,微波功率為180~360 W,獲得了大比表面的水滑石。
溶膠-凝膠法[31]:用金屬醇鹽或非醇鹽先生成前驅(qū)物,在一定條件下水解形成溶膠,再制成凝膠后,經(jīng)干燥、熱處理最終獲得所需的納米粒子。
機(jī)械-化學(xué)法[13]:通過(guò)碾磨或手工研磨轉(zhuǎn)化合成HTs,該法可讓固體反應(yīng)物直接發(fā)生反應(yīng),無(wú)需水溶液,這樣就避免了大量溶液的調(diào)制、廢氣排放和廢水處理等問(wèn)題,而且無(wú)需加熱處理,可簡(jiǎn)便、快速得獲得HTs。
另外,還有成核-晶化隔離法、誘導(dǎo)水解法和焙燒還原法等制備方法[33]。
水滑石層間陰離子的種類在較寬范圍內(nèi)可調(diào)變,環(huán)境中的腐蝕性陰離子能與層間陰離子交換而被截留在水滑石層間,避免了與基體直接接觸,從而起到減緩腐蝕的效果,加上其表面的疏水性等特性使其在腐蝕領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。另外,原位生長(zhǎng)法制備的膜層與基體間存在化學(xué)鍵,膜/基結(jié)合良好,可以通過(guò)在金屬表面原位生長(zhǎng)水滑石膜的方法來(lái)改善金屬的耐蝕性。
最初是在Al或Zn合金上原位制備類水滑石膜以提高基體的耐蝕性,因此關(guān)于這方面的研究報(bào)道較多。趙麗麗等[34]將鋁合金浸泡在硝酸銨和硝酸鋅混合溶液中36 h后,在鋁合金表面原位生長(zhǎng)出ZnAl類水滑石涂層,在3.5% NaCl溶液中浸泡12天后,涂層表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的腐蝕破壞現(xiàn)象。Zhang[35]用同樣方法在氧化鋁/鋁(PAO/Al)基體上獲得ZnAl-LDH-NO3膜,并利用月桂酸根離子置換出硝酸根離子,得到ZnAl-LDH-laurate膜,該膜極大地提高了PAO/Al的耐蝕性,使其腐蝕電流密度降低到1 nA·cm-2,并具有自愈合功能。Buchheit等[36-37]也通過(guò)類似的浸泡方法分別在鍍鋅鋼和鋁合金表面原位生長(zhǎng)出ZnAl類水滑石涂層,其耐蝕性與鉻酸鹽相當(dāng),也具有自愈合能力??梢?,金屬表面原位生長(zhǎng)水滑石膜可以在很大程度上改善材料的耐蝕性,是一種極具應(yīng)用潛力的防護(hù)方法。
但水滑石膜用于鎂合金防護(hù)的研究報(bào)道不多[26-28,38-48],關(guān)于鎂合金表面原位生長(zhǎng)水滑石膜的研究則更少。Wang等[38]采用水熱合成法在AZ31D鎂合金上制備出MgAl水滑石膜,該膜降低了基體的自腐蝕電流密度,使其從5.364 μA/cm2降低到1.467 μA/cm2,提高了鎂合金的耐蝕性;但隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),逐漸失去其防護(hù)效果。而最初使用原位生長(zhǎng)法在鎂合金上制備水滑石膜的人是Lin等[26-28],他們報(bào)道了在AZ91鎂合金上原位生長(zhǎng)出MgAl水滑石膜,在0.6 M的NaCl溶液浸泡60 h后膜表面并未見明顯損壞,并通過(guò)改進(jìn)成膜工藝后,使成膜時(shí)間縮短為4 h。該膜經(jīng)72 h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后表面沒(méi)有腐蝕坑,而普通的鎂合金轉(zhuǎn)化膜僅經(jīng)過(guò)24 h鹽霧試驗(yàn)后就嚴(yán)重破損。Chen等[46]采用兩步法在低Al含量的AZ31鎂合金表面也原位生長(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)的Mg-Al水滑石膜。該膜非常致密、均勻,能對(duì)AZ31合金起到很好的防護(hù)作用。另外,他們還采用植酸改性來(lái)能提高水滑石膜的耐蝕性,盡管自腐蝕電位降低了,但減少了腐蝕電流密度。植酸處理能有效地提高膜的阻擋層作用,并且具有減緩腐蝕發(fā)展的效果。該膜大大延長(zhǎng)了點(diǎn)蝕萌生的時(shí)間,其優(yōu)異的穩(wěn)定性可能與磷酸鹽緩蝕劑的釋放有關(guān)[47]。Ishizaki等[48]采用蒸汽原位生長(zhǎng)的方法,將AZ31鎂合金放置在423 K的高壓釜中6 h,獲得了80 μm厚的MgAl水滑石和Mg(OH)2的復(fù)合涂層,該涂層具有非常優(yōu)異的耐蝕性,使基體的腐蝕電流密度降低了至少6個(gè)數(shù)量級(jí)。
關(guān)于水滑石膜改善鎂合金耐蝕性的機(jī)制,尚沒(méi)有得到統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。Lin等[27]認(rèn)為水滑石膜能提高鎂合金耐蝕性的原因之一是Cl-能交換出水滑石層間陰離子CO32-,抑制了Cl-的侵蝕作用。這與文獻(xiàn)[15]矛盾,究其原因可能是腐蝕介質(zhì)中添加了CaCl2,Ca容易與CO32-形成CaCO3沉淀,才使得Cl-置換出CO32-。Kuzawa等[49]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí),添加CaCl2后形成了磷酸鈣沉淀物,會(huì)覆蓋在表面。關(guān)于腐蝕機(jī)制的另一研究來(lái)自Yi等[39],他們相信CO32-與主體層板的高親和力會(huì)阻止Cl-的攻擊;但由于CO32-在NaCl溶液中會(huì)不斷減少,Cl-取代進(jìn)入水滑石插層中間也是有可能的,因此,他們也認(rèn)同Lin等的觀點(diǎn),認(rèn)為水滑石膜優(yōu)異的耐蝕性歸功于CO32-與Cl-在含氯的腐蝕介質(zhì)中的交換作用,而且不改變水滑石的雙層結(jié)構(gòu)。Chen等[46]近期研究了Cl-的取代或吸附效應(yīng),發(fā)現(xiàn)水滑石在NaCl溶液中,Cl-不能取代CO32-,只有先排除CO32-,Cl-才有可能進(jìn)入到插層中間以平衡電荷;因此,水滑石膜的防腐機(jī)制主要是基于其疏水性和阻擋層的作用,Cl-會(huì)吸附到膜表面加速腐蝕。
水滑石具有復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu),具有很多獨(dú)特的性能,一直備受關(guān)注,被應(yīng)用到很多領(lǐng)域;另外,其層間陰離子的可交換性使其耐蝕機(jī)制與眾不同。綜合上述報(bào)道,對(duì)水滑石膜的研究將有可能在以下方向繼續(xù)開展:
1)原位生長(zhǎng)水滑石是一種新型的防護(hù)手段,目前主要應(yīng)用在Mg-Al系列的鎂合金上,調(diào)整工藝后,有望在各種系列鎂合金上原位生長(zhǎng)優(yōu)質(zhì)水滑石膜;
2)水滑石膜改善金屬耐蝕性的機(jī)制還存在爭(zhēng)議,而且不同服役環(huán)境(腐蝕介質(zhì))下,可能會(huì)表現(xiàn)出不同的腐蝕現(xiàn)象,揭示水滑石膜在特定介質(zhì)下的腐蝕機(jī)制是一個(gè)重要的方向;
3)水滑石具有很多獨(dú)特的性能,可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
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