纳米复合涂层对碳钢防腐性能的交流阻抗评定
张而耕 龙 康 王志文
腐蚀科学与防护技术2002年11月
摘要 利用电化学阻抗谱法考察了普通涂层、纳米复合涂层和憎水纳米复合涂层的防腐性能.结果表明,纳米复合涂层的防腐性能明显高于普通涂层,而经过氟表面活性剂改性的表面憎水的纳米复合涂层的防腐性能更好.
关键词 电化学阻抗谱 纳米复合涂层 表面改性 腐蚀
利用纳米技术对涂料改性推动了有机涂料的发展.作者研制了一种水性纳米复合涂料[1],用它制备的纳米复合涂层对金属有很好的防腐作用.为了研究涂层的憎水性对其耐蚀性能的影响,特在涂层制备时加入了氟表面活性剂对涂层表面进行改性,使其憎水.并与普通涂层的耐蚀性能进行比较.本文采用交流阻抗方法评定三种涂层对碳钢的防腐性能.
1实验方法
测试涂层的成膜高聚物是聚苯硫醚(PPS),由美国杜邦公司生产.涂层内的固含物颗粒的粒径分别是微米级和纳米级.涂层的制备:将水溶性涂料用电动喷枪喷涂到碳钢表面,在365℃烧结5 min~8min而成.三种涂层分别为:1#普通涂层,内含SiO2的粒径在4 mm以上,涂层的SEM(扫描电子显微镜)形貌如图1a所示;2#纳米复合涂层,内含的SiO2的粒径在200 nm以下,涂层的SEM形貌如图1b所示;3#是在2#涂层的基础上加入了氟表面活性剂,使其表面憎水,疏水角为108°左右.
电化学测试在三电极体系中进行.用环氧树脂封、工作面积约25 cm2的样品为工作电极,饱和甘汞电极和铂电极分别作为参比电极和辅助电极,测试介质为3·5%NaCl溶液和3·5%NaCl+5%H2SO4溶液.1#、2#、3#电极分别为碳钢表面涂以1#、2#、3#涂层后制备的电极,涂层厚度为50μm~55μm.测试仪器包括PARCM283恒电位仪、M1025频率响应检测仪、M398交流阻抗测试软件.交流阻抗测试在开路电位下进行,交流电压幅值为5 mV,测试频率100 kHz~0·05 Hz.交流阻抗数据拟合采用EG&G PARC E-QUIVCRT阻抗分析软件
2结果与讨论
图2~图4分别为1#、2#、3#电极在3·5%
NaCl溶液中浸泡5天、12天和24天的Bode图.由图2、图3可以看出,随着浸泡时间的增加,电解质溶液对有机涂层的逐渐渗透,使1#、2#电极的阻抗值随浸泡时间逐渐降低,最大相角逐渐向高频移动,表明涂层防腐性能随浸泡时间逐渐下降.由图4可以看出,3#电极在3·5%NaCl溶液中浸泡了24天之后阻抗值和相角几乎不变,说明此种涂层能够有效阻挡电解质溶液对其渗透.比较1#、2#、3#电极在3·5%NaCl溶液中浸泡24天的Bode图,防腐效果依次为3#>2#>1#.图5为1#、2#、3#电极在3·5%NaCl溶液中浸泡了24天之后再浸泡在3·5%NaCl+5%H2SO4溶液中2天测得的Bode图.可见3#电极阻抗值下降较快,2#和3#的阻抗值较接近,1#仍然最小.1#、2#、3#电极在3·5%NaCl溶液中浸泡初期只出现一个时间常数,图6a显示了该电极的等效电路,图中Rs为溶液电阻,Rf和Cf分别为涂层电阻和涂层电容.三种电极不同浸泡时间拟合得到的Rf、Cf值列于表1.总的趋势,随着浸泡时间增加,Rf减小,Cf增大.这是由于随着浸泡时间增加,涂层孔隙率逐渐增大,更多的电解液渗入涂层所致.随着浸泡时间继续延长和介质中添加了5%H2SO4,交流阻抗谱出现了两个时间常数,其等效电路示于图6b.高频容抗弧反映了涂层的性质,低频容抗弧对应于金属基体/溶液界面的电荷转移行为(用电荷转移电阻Rt和双电层电容Cdl的并联电路来表征).由于金属基体和溶液接触面积较小,电极的表观电荷转移电阻显得很大.
目前有机/无机复合材料的发展趋势是用无机的纳米颗粒代替传统的大颗粒无机物,来提高高聚物基体的强度、韧性及其它性能[2].从以上的实验结果及分析可知,纳米SiO2的加入改善了基体高聚物的致密性,提高了涂层与金属的结合力,使涂层抗电解质溶液的渗透能力增强,所以耐蚀性能显著提高.此外,在纳米复合涂层的基础上加入氟表面活性剂,进一步提高其耐蚀性是因为疏水的纳米复合涂层对水具有排斥作用,不是单纯的屏障作用.溶液中的离子要向涂层中扩散必须先与涂层接触,由于涂层的憎水性,使得离子接触涂层比较困难,这样离子在涂层中的扩散也就变得困难.由此看来,不仅涂层/金属界面憎水对涂层有防腐作用[3,4],就是涂层表面憎水也能提高涂层对金属的防腐作用.
3结论
纳米复合涂层由于采用纳米SiO2改性基体高聚物,使其对金属的防腐性能比普通涂层有所提高;在纳米涂层的基础上加入氟表面活性剂,使其表面憎水,结果纳米复合涂层的防腐性能进一步提高;三种涂层的防腐效果依次为3#>2#>1#.感谢上海电力学院国家电力公司热力设备腐蚀与防护重点实验室周国定等老师对本实验及数据处理给予的帮助.
参考文献略
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