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        納米聚吡咯對硅烷膜耐蝕性的影響

        2021-11-04 01:37:50許瀟雨王建榮段廣彬
        中國粉體技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:改性

        許瀟雨,李 麗,王建榮,段廣彬

        (濟(jì)南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)

        硅烷化處理是以有機(jī)硅烷單體為主要原料,在基體表面形成以硅氧鍵結(jié)合的有機(jī)硅薄膜的表面處理技術(shù)[1]。硅烷膜本身具有耐蝕性,并且可以顯著提高涂裝工藝中基體與涂層之間的結(jié)合力,同時硅烷化處理具有綠色無污染、節(jié)能、基體適用范圍廣等突出優(yōu)點(diǎn)[2-3],可以作為金屬涂裝前處理方式,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的磷化處理,但是,由于單一硅烷膜層薄,致密度低,微觀形貌不連續(xù),因此其耐蝕性不佳[4]。為了進(jìn)一步提高硅烷膜的耐蝕性,擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,各國學(xué)者通過制備混合硅烷膜[5]、硅烷偶聯(lián)劑與其他高分子化合物復(fù)合成膜[6],以及通過摻雜緩蝕劑[7]、納米粒子[8]等途徑,對硅烷膜進(jìn)行改性研究,以提高硅烷膜層的耐蝕性。

        近年來,導(dǎo)電聚合物作為一種新型材料,其耐蝕性備受關(guān)注。其中聚吡咯(PPy)因其易合成、穩(wěn)定性好及單體無毒的優(yōu)勢得到了廣泛研究[9-10]。關(guān)于聚吡咯的耐蝕機(jī)理,目前主要有機(jī)械屏蔽作用[11]、貴金屬效應(yīng)[12]、陽極保護(hù)作用[13]、緩蝕劑和離子釋放機(jī)理[14]等,聚吡咯在材料腐蝕防護(hù)領(lǐng)域顯現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[15-16]。

        基于PPy作為導(dǎo)電聚合物特有的耐蝕性,本文中用納米級PPy對硅烷膜進(jìn)行摻雜改性,以提高硅烷膜的耐蝕性。納米PPy采用化學(xué)原位聚合法制備,為防止納米PPy團(tuán)聚,制備的PPy乳液不作離心處理。將不同體積的PPy乳液摻雜進(jìn)KH-792硅烷(NH2(CH2)2NH(CH2)3Si(OCH3)3)溶膠中,超聲分散均勻后,以浸入成膜的方式,在低碳鋼表面制備出不同PPy摻雜量的改性KH-792硅烷膜,采用電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試得到PPy的最佳摻雜量,即耐蝕性最佳的PPy改性KH-792硅烷膜,以此改性硅烷膜為研究對象,用EIS和等效電路擬合來表征和分析膜層的耐蝕機(jī)制。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 PPy改性KH-792硅烷膜的制備

        將1 mL吡咯單體(Py)、 0.39g 乳化劑十二烷基苯磺酸鈉、 200 mL去離子水加入燒杯中,在28 kHz、 60 ℃條件下超聲分散30 min,得到Py乳液,再加入0.13 g過硫酸銨引發(fā)聚合,聚合環(huán)境為常溫、 28 kHz超聲分散。乳黃色Py乳液聚合得黑色PPy乳液,該乳液中PPy粉體的質(zhì)量濃度為4.620 g/L。將不同體積的PPy乳液分別摻入KH-792硅烷溶液中,超聲分散后,將預(yù)處理好的低碳鋼基片浸入成膜10 min,并于烘箱烘干,即得到PPy摻雜量不同的改性硅烷膜。

        取1份PPy乳液,將乳液離心得到PPy,采用日本電子株式會社生產(chǎn)的型號為JEM-2010的高分辨透射電子顯微鏡(TEM)觀察其形貌,如圖1所示。從圖中可看出,實(shí)驗(yàn)制備的PPy為球形,粒徑約為100 nm,粒徑較小,可以保證改性硅烷膜結(jié)構(gòu)的致密性。

        a)低倍形貌b)高倍形貌圖1 PPy的TEM圖像Fig.1 TEM images of PPy

        1.2 PPy改性KH-792硅烷膜的表征

        采用上海辰華儀器有限公司生產(chǎn)的型號為CHI604E的電化學(xué)工作站,測量改性硅烷膜在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜(EIS),在開路電位下采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為Pt電極,測試頻率從105Hz 到10-2Hz,振幅為10 mV,將測試結(jié)果用Z-view軟件擬合。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 PPy摻雜量對改性硅烷膜耐蝕性的影響

        圖2為不同PPy摻雜量改性硅烷膜的Nyquist圖,摻雜量以制備的PPy乳液體積(mL)計。由圖可知,PPy摻雜量在10~20 mL時,膜層阻抗均在2 000 Ω·cm2左右,這與單一KH-792硅烷膜阻抗相當(dāng),這是由于PPy摻雜量較少,耐蝕作用未能體現(xiàn)出來;摻雜量在40~80 mL時,改性硅烷膜阻抗明顯增大;摻雜量為80 mL時,膜層低頻阻抗模值可達(dá)8 200 Ω·cm2,是單一KH-792硅烷膜的4倍,此時膜層耐蝕性最佳。當(dāng)摻雜量超過80 mL后,膜層阻抗值開始減小,這由于硅烷膜較薄,當(dāng)PPy摻雜量達(dá)到膜層的“飽和”狀態(tài)時,膜層中的PPy粒子易從膜層中脫出,破壞了膜層致密性,耐蝕性也隨之下降。

        圖2 不同PPy摻雜量改性硅烷膜的Nyquist圖Fig.2 Nyquist plots of modifiedsilane films with different PPy doping levels

        2.2 PPy改性KH-792硅烷膜的耐蝕機(jī)理

        以PPy最佳摻雜量(80 mL)的改性硅烷膜為研究對象,以單一KH-792膜作參比,將2種膜層分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中浸泡腐蝕不同的時間,用EIS測試阻抗值,作耐蝕性的對比分析。使用Z-view軟件對改性硅烷膜各腐蝕時間的膜層進(jìn)行等效電路擬合,探討改性硅烷膜的耐蝕機(jī)理。

        PPy改性KH-792膜和KH-792膜的阻抗值與腐蝕時間的關(guān)系如圖3。由圖可以看出,改性硅烷膜在浸泡15 min后,阻抗值明顯減小,約為2 600 Ω·cm2,原因可能是改性硅烷膜在腐蝕過程中發(fā)生了脫附,膜層中摻雜的PPy粒子也發(fā)生脫附,導(dǎo)致膜層孔隙增大,改性硅烷膜的耐蝕性下降。在浸泡腐蝕0.5~48 h區(qū)間,改性硅烷膜的阻抗值均穩(wěn)定在700~900 Ω·cm2,這是因?yàn)楦g產(chǎn)物逐漸積累,堵塞了電解質(zhì)擴(kuò)散通道,物理屏蔽作用增強(qiáng),從而減緩了腐蝕速度。對比圖3中的2條折線可知,改性硅烷膜在腐蝕開始時,阻抗值遠(yuǎn)大于KH-792膜,約為KH-792膜的4倍。除腐蝕時間為6 h的阻抗值外,改性硅烷膜的阻抗值均大于KH-792膜,說明PPy顯著提高了膜層的耐蝕性。

        圖3 PPy改性KH-792膜及KH-792膜阻抗值與腐蝕時間的關(guān)系Fig.3 Impedance values versus corrosion time for KH-792 films modified by PPyand KH-792 films

        通過Z-view擬合軟件獲得PPy改性KH-792膜的等效電路圖,見圖4。表1為等效電路擬合得到各元件參數(shù)的擬合數(shù)據(jù)。

        a)腐蝕初期、腐蝕1~48 h的等效電路b)腐蝕0.25、 0.5 h的等效電路圖4 PPy改性KH-792膜的等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of KH-792 films modified by PPy

        表1 PPy改性KH-792膜的等效電子元件參數(shù)擬合數(shù)據(jù)Tab.1 Equivalent electronic components fit data of KH-792 films modified by PPy

        溶液電阻Rs較小,一般可以忽略不計。Rp為微孔內(nèi)電阻,是改性硅烷膜的等效電阻,膜層電阻大,則對低碳鋼基片的防護(hù)效果好。Rt代表轉(zhuǎn)移電阻,是界面層的等效電阻。t=0 h時,腐蝕介質(zhì)尚未到達(dá)膜層和基片界面,膜層體系等效于純電容,測量的阻抗譜有一個時間常數(shù),此階段采用的等效電路如圖4 a)所示[17]。此時改性硅烷膜阻抗值Rp為9 913 Ω·cm2,這是因?yàn)楦男怨柰槟饺氲募{米級PPy,使得KH-792膜更加致密,機(jī)械屏蔽作用增強(qiáng)。t=0.25 h時,出現(xiàn)一個新的時間常數(shù),說明在腐蝕過程中,膜層出現(xiàn)新的雙電層信息。這可能是因?yàn)镻Py是共軛高分子鏈,結(jié)構(gòu)中含多個氮原子,在PPy和低碳鋼基片間的電化學(xué)過程能夠在基片表面形成鈍化膜,從而形成了新的雙電層,提高了耐蝕性。從陽極鈍化保護(hù)作用來看,可以認(rèn)為PPy處于導(dǎo)電狀態(tài)時,作為氧化劑使低碳鋼電位升高至鈍化區(qū),從而形成鈍化膜[12],此鈍化膜的阻抗值為Rt的擬合值,由表1中t為0.25、 0.5 h的Rt擬合值可以看出,隨浸泡時間延長,膜層的鈍化作用減弱。腐蝕時間t為1~48 h時,肉眼可見基片上已有腐蝕產(chǎn)物附著,基體進(jìn)入穩(wěn)定腐蝕階段,膜層的Rp值逐漸減小,即耐蝕性逐漸下降。

        Qc膜層電容,指數(shù)n與膜層表面的粗糙度有關(guān),膜層表面越光滑,n值越大,電解質(zhì)溶液越難在膜層中擴(kuò)散,則膜層的耐蝕性越好[17]。一般n的范圍為0.5

        3 結(jié)論

        采用化學(xué)原位聚合法,在超聲環(huán)境下制備的PPy為納米尺度粒子,經(jīng)該P(yáng)Py摻雜改性后的KH-792硅烷膜耐蝕性明顯提高,用電化學(xué)阻抗譜及等效電路擬合表征和分析膜層耐蝕性,膜層中的納米PPy分別在腐蝕初期和腐蝕中期發(fā)揮了不同作用:

        1)PPy改性KH-792硅烷膜在腐蝕初期有一個時間常數(shù),表現(xiàn)為較強(qiáng)的的機(jī)械屏蔽作用,這是由于PPy粉體為納米尺度粒子,粒徑僅有100 nm,對KH-792膜起到了很好的填充作用,從結(jié)構(gòu)上保證了改性硅烷膜的致密性,使得改性硅烷膜在腐蝕初期的阻抗值為單一KH-792膜的4倍左右。

        2)腐蝕中期改性硅烷膜存在2個時間常數(shù),這是由于PPy在低碳鋼基片表面形成的鈍化膜表現(xiàn)出很好的耐蝕作用,該鈍化現(xiàn)象源自于PPy特殊的含氮共軛高分子鏈結(jié)構(gòu),或陽極鈍化保護(hù)作用,使得PPy改性KH-792硅烷膜在腐蝕中、后期耐蝕性高于單一KH-792膜。

        除了對硅烷膜進(jìn)行改性外,納米PPy因其粒徑小、具有一定耐蝕性的特點(diǎn),可以作為一種摻雜劑對其他種類的涂層進(jìn)行改性,結(jié)構(gòu)上可以提高膜層致密性,同時其本身的耐蝕性可進(jìn)一步提高涂層的耐蝕能力。

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