电解锰表面铈_硅烷复合钝化膜的制备及其耐腐蚀性能_陈萌萌.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 3 0 2 0 0 5电解锰表面铈/硅烷复合钝化膜的制备及其耐腐蚀性能陈萌萌1,李世佳1,李利军1,2,程 昊1(1.广西科技大学生物与化学工程学院广西糖资源绿色加工重点实验室,柳州 5 4 5 0 0 6;2.蔗糖产业省部共建协同创新中心,南宁 5 3 0 0 0 4)摘 要:以硅烷偶联剂KH 5 5 0和硝酸铈混合溶液为钝化液,通过浸泡法在电解锰表面成功制备了铈/硅烷复合钝化膜,并采用极化曲线、电化学阻抗谱、扫描电子显微图像(S EM)、衰减全反射傅里叶红外光谱(A T R-F T I R)及X射线光电子能谱(X P S)等对铈/硅烷复合钝化膜进行表征和分析。结果表明:电解锰腐蚀电位从钝化前的-1.3 6 4 V升高到钝化后的-1.2 2 5 V,腐蚀电流密度从3.5 81 0-5 A/c m2降低到1.9 11 0-6 A/c m2,极化电阻从4 6 1.1 8 c m2升高到4 7 0 6 c m2,电流阻碍效率达到了9 4.6 6%,所制备的钝化膜可显著提高电解锰的耐腐蚀性能。关键词:电解锰;硅烷偶联剂KH 5 5 0;硝酸铈;钝化膜;耐腐蚀性能中图分类号:T G 1 7 4.4 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 3)0 2-0 0 2 5-0 8P r e p a r a t i o n a n d C o r r o s i o n R e s i s t a n c e o f C e r i u m a n d S i l a n e C o m p o s i t e P a s s i v a t i o n F i l m o n E l e c t r o l y t i c M a n g a n e s e S u r f a c eCHE N M e n g m e n g1,L I S h i j i a1,L I L i j u n1,2,CHE NG H a o1(1.G u a n g x i K e y L a b o r a t o r y o f G r e e n P r o c e s s i n g o f S u g a r R e s o u r c e s,C o l l e g e o f B i o l o g i c a l a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g,G u a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,L i u z h o u 5 4 5 0 0 6,C h i n a;2.P r o v i n c e a n d M i n i s t r y C o-s p o n s o r e d C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r o f S u g a r c a n e a n d S u g a r I n d u s t r y,N a n n i n g 5 3 0 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c e r i u m a n d s i l a n e c o m p o s i t e p a s s i v a t i o n f i l m o n t h e s u r f a c e o f e l e c t r o l y t i c m a n g a n e s e w a s s u c c e s s f u l l y f a b r i c a t e d b y i mm e r s i n g i n p a s s i v a t i o n s o l u t i o n w h i c h w a s a m i x t u r e o f s i l a n e c o u p l i n g a g e n t KH 5 5 0 a n d c e r i u m n i t r a t e.T h e c o m p o s i t e p a s s i v a t i o n f i l m w a s c h a r a c t e r i z e d a n d a n a l y z e d t h r o u g h p o l a r i z a t i o n c u r v e,e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y(E I S),s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM),a t t e n u a t e d t o t a l r e f l e c t i o n F o u r i e r t r a n s f o r m i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y(A T R-F T I R)a n d X-r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y(X P S).I t w a s f o u n d t h a t t h e c o r r o s i o n p o t e n t i a l o f e l e c t r o l y t i c m a n g a n e s e i n c r e a s e d f r o m-1.3 6 4 V b e f o r e p a s s i v a t i o n t o-1.2 2 5 V a f t e r p a s s i v a t i o n,t h e c o r r o s i o n c u r r e n t d e n s i t y d e c r e a s e d f r o m 3.5 81 0-5 A/c m2 t o 1.9 11 0-6 A/c m2,t h e p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e i n c r e a s e d f r o m 4 6 1.1 8 c m2 t o 4 7 0 6 c m2,a n d t h e c u r r e n t b l o c k i n g e f f i c i e n c y r e a c h e d 9 4.6 6%.T h e p r e p a r e d p a s s i v a t i o n f i l m c o u l d s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f e l e c t r o l y t i c m a n g a n e s e.K e y w o r d s:e l e c t r o l y t i c m a n g a n e s e;s i l a n e c o u p l i n g a g e n t KH 5 5 0;c e r i u m n i t r a t e;p a s s i v a t i o n c o a t i n g;c o r r o s i o n r e s i s t a n c e 电解锰表面呈银灰色,熔沸点较高,硬度比铁收稿日期:2 0 2 1-0 4-0 7基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 地 区 科 学 基 金 项 目(3 1 5 6 0 4 6 6);广 西 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目(2 0 1 9 G X N S F D A 2 4 5 0 2 5);广 西 科 技 重 大 专 项(桂 科AA 1 8 1 1 8 0 1 3);广西高等学校高水平创新团队及卓越学者计划资助项目(桂教人2 0 1 47号)通信作者:李利军(1 9 6 6-),教授,博士,研究方向为制糖科学与工程及应用化学,1 3 6 3 3 0 6 0 5 6 6,l i l i j u n 0 5 6 2s i n a.c o m软,化学性质和铁相似。金属锰的使用范围非常广1,可用于冶炼钢铁,素有“无锰不成钢”之称,也可用于有色冶金、航空航天工业、化工、电池以及农业等方面2。但电解锰的标准电极电位较低,化学性质活泼,在空气中极易被氧化3,生成灰黑色的氧化锰覆盖在表面,这严重影响金属锰的保存和使用。为了保障电解锰的使用性能和商业价值,工业上通常使用铬酸盐4-6、磷酸盐7、亚硝酸盐8、硅酸盐9等对电解锰片进行钝化处理,提高其耐腐蚀性能和52第4 4卷 第2期2 0 2 3年2月腐蚀与防护C O R R O S I ON&P R O T E C T I ONV o l.4 4 N o.2F e b r u a r y 2 0 2 3自愈能力2。但铬对环境污染非常大1 0,并且对人体有致癌作用,已被世界各国严格限制甚至禁止使用;亚硝酸盐同样为致癌物质,也被禁止使用1 1;磷、硅、硫对炼铁有负面影响1 2。所以,电解锰的钝化应避免使用磷、硅、硫等有害元素。在控制磷、硅、硫等元素用量的前提下,开发环保型的电解锰钝化技术,具有重要的现实意义1 3。目前,在金属锰片表面钝化膜的形成与制备方面已有不少研究并取得了一定的进展1 3-1 7。硅烷偶联剂是一种广泛用于镁、铝、铁、锌等金属的新型环保表面钝化剂1 8,但它用于电解锰表面钝化的报道不多。硅烷分子结构为Y-R-S i X3,水解之后形成的硅醇基会与金属表面的-OH形成氢键,脱水缩合后形成和金属表面层连接紧密的共价键,硅烷烃分子的硅醇基发生交联反应后会在金属表面形成致密的三维网状结构1 9,使腐蚀介质不能直接和电解锰表面接触,提高了电解锰的耐腐蚀性能。硅烷钝化膜层较薄,耐磨性差,强度低,容易产生裂纹,对金属表 面 的 保 护 有 限。研 究 发 现 稀 土 金 属 铈2 0、镧2 1等可以阻止金属腐蚀过程中的电子转移,对金属钝化膜起到修复作用2 2,但是单一的稀土钝化膜完整性低,耐腐蚀效果不佳。本工作采用一步浸泡法2 3,在铈掺杂的硅烷偶联剂溶液中使电解锰钝化形成钝化膜,弥补了单一钝化膜的缺点,使两者发挥协同作用,以提高电解锰的耐腐蚀性能。利用扫描电子显微镜(S EM)、衰减全反射傅里叶红外光谱(AT R-F T I R)和X射线光电子能谱(X P S)测定了钝化膜的形貌和化学成分,并采用电化学法对钝化膜的耐腐蚀性能进行了测试,研究了各种因素对钝化膜性能的影响以及钝化膜的形成机理。1 试验1.1 试验材料硝酸铈,分子式C e(NO3)36 H2O,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;硅烷偶联剂(KH 5 5 0溶液),化学式为NH2CH2CH2CH2S i(O C2H5)3,化学名称为-氨丙基三乙氧基硅烷,分析纯,上海源叶生物科技有限公司;硝酸,分析纯,分子式 HNO3,含量6 5%6 8%(质量分数),西陇科学股份有限公司;氢氧化钠,分析纯,西陇科学股份有限公司;氯化钠,分析纯,西陇科学股份有限公司;去离子水:实验室自制。1.2 钝化膜的制备试验材料为市售电解锰片,其化学成分(质量分数)为:9 9.9 3 0%M n,0.0 1 1%C,0.0 3 0%S,0.0 0 1 2%P,0.0 2 4 9%S e,0.0 0 1 5%S i,0.0 0 1 7%F e,余量为M n。锰片为不规则形状。在室温下把电解锰片浸泡在1 0%(体积分数)的硝酸溶液中除锈1 m i n,待其表面暴露出光亮白色后,用去离子水冲洗掉表面残留的硝酸,氮气吹干;然后