片层蒙脱土对溶胶-凝胶涂层防腐蚀性能的影响_郭华龙.pdf

D O I:1 0.1 1 9 7 3/f s y f h-2 0 2 2 1 2 0 0 4片层蒙脱土对溶胶-凝胶涂层防腐蚀性能的影响郭华龙,刘煊煊,高 燕,张俊喜(上海电力大学,上海 2 0 0 0 9 0)摘 要:为改善无机涂层脆性大、成膜性差的问题,以正硅酸四乙酯为原料,片层蒙脱土为填料,采用溶胶凝胶法在AA 2 0 2 4铝合金表面制备了蒙脱土溶胶-凝胶涂层。利用扫描电镜(S EM)、能谱仪(E D S)和傅里叶红外光谱仪(F T-I R)分析了 涂 层 的 微 观 形 貌 和 聚 合 原 理。通 过 动 电 位 极 化 和 电 化 学 阻 抗 谱 测 试,研 究 了 所 制 备 的 涂 层 在3.5%N a C l溶液中的电化学行为,并与纯硅溶胶涂层和基体进行比较。结果表明:制备的蒙脱土纳米片,其厚度最小约为1 0 n m,直径最小约为5 0 0 n m;蒙脱土在涂层中分布较为均匀,在溶胶聚合过程中,蒙脱土在溶胶中引导溶胶粒子有序聚合,提高了涂层的致密度,减少了固化时涂层产生的缺陷;蒙脱土溶胶-凝胶涂层试样的腐蚀电流密度(1.0 41 0-8 Ac m-2)比纯硅溶胶涂层试样(1.2 21 0-7 Ac m-2)低1个数量级,蒙脱土溶胶-凝胶涂层具有较高的涂层阻抗,且蒙脱土溶胶-凝胶涂层的Rc t始终远高于纯硅溶胶涂层,表明蒙脱土溶胶-凝胶涂层具有更持久的防护效果。关键词:无机涂层;蒙脱土;腐蚀防护;AA 2 0 2 4铝合金中图分类号:T G 1 7 4 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-7 4 8 X(2 0 2 2)1 2-0 0 2 1-0 9E f f e c t o f L a m e l l a r M o n t m o r i l l o n i t e o n C o r r o s i o n P r o t e c t i o n o f S o l-G e l C o a t i n gGUO H u a l o n g,L I U X u a n x u a n,GAO Y a n,Z HANG J u n x i(S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r,S h a n g h a i 2 0 0 9 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i m p r o v e t h e b r i t t l e n e s s a n d p o o r f i l m-f o r m i n g p r o p e r t y o f t h e i n o r g a n i c c o a t i n g,a m o n t m o r i l l o n i t e s o l-g e l c o a t i n g w a s p r e p a r e d o n t h e s u r f a c e o f AA 2 0 2 4 a l u m i n u m a l l o y b y s o l-g e l m e t h o d w i t h t e t r a e t h y l o r t h o s i l i c a t e a s r a w m a t e r i a l a n d l a m e l l a r m o n t m o r i l l o n i t e a s f i l l e r.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),e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y(E D S)a n d 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(F T-I R)w e r e u s e d t o a n a l y z e t h e m i c r o-m o r p h o l o g y a n d p o l y m e r i z a t i o n p r i n c i p l e o f t h e c o a t i n g.T h e e l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r o f t h e c o a t i n g i n 3.5%N a C l s o l u t i o n w a s s t u d i e d b y p o t e n t i o d y n a m i c p o l a r i z a t i o n a n d 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 t e s t,a n d c o m p a r e d w i t h p u r e s i l i c a s o l c o a t i n g a n d s u b s t r a t e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e l o w e s t t h i c k n e s s o f m o n t m o r i l l o n i t e n a n o s h e e t s w a s a b o u t 1 0 n m a n d t h e d i a m e t e r w a s a b o u t 5 0 0 n m.M o n t m o r i l l o n i t e w a s e v e n l y d i s t r i b u t e d i n t h e c o a t i n g.I n t h e p r o c e s s o f s o l p o l y m e r i z a t i o n,m o n t m o r i l l o n i t e g u i d e d t h e o r d e r e d p o l y m e r i z a t i o n o f s o l p a r t i c l e s i n t h e s o l,w h i c h i m p r o v e d t h e d e n s i t y o f t h e c o a t i n g a n d r e d u c e d t h e d e f e c t s o f t h e c o a t i n g d u r i n g c u r i n g.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 o f m o n t m o r i l l o n i t e s o l-g e l c o a t i n g w a s 1.0 41 0-8 Ac m-2,a b o u t o n e o r d e r o f m a g n i t u d e l o w e r t h a n t h a t o f p u r e s i l i c a s o l c o a t i n g w h i c h w a s 1.2 21 0-7 Ac m-2.T h e r e s i s t a n c e o f m o n t m o r i l l o n i t e s o l-g e l c o a t i n g w a s h i g h e r t h a n t h a t o f p u r e s i l i c a s o l c o a t i n g,a n d t h e Rc t o f m o n t m o r i l l o n i t e s o l-g e l c o a t i n g w a s a l w a y s m u c h h i g h e r t h a n t h a t o f p u r e s i l i c a s o l c o a t i n g,w h i c h i n d i c a t e d t h a t m o n t m o r i l l o n i t e s o l-g e l c o a t i n g h a d l o n g e r p r o t e c t i v e e f f e c t.K e y w o r d s:i n o r g a n i c c o a t i n g;m o n t m o r i l l o n i t e;c o r r o s i o n p r o t e c t i o n;AA 2 0 2 4 a l u m i n u m a l l o y AA 2 0 2 4铝合金具有优异的物理和力学性能,如损伤容限、较高的抗拉强度和比强度等,在航空航天领 域 中 得 到 了 广 泛 的 应 用1。然 而,AA 2 0 2 4收稿日期:2 0 2 1-0 5-2 8基金项目:上海市科学技术委员会资助项目(1 9 D Z 2 2 7 1 1 0 0)通信作者:张俊喜(1 9 6 9-),教授,博士,主要从事金属腐蚀与防护研究工作,1 3 3 7 1 8 9 5 9 6 1,z h a n g j u n x i s h i e p.e d u.c n铝合金非常容易发生腐蚀,涂层防护是金属腐蚀防护中最简单、最直接的方法之一。传统的有机涂层在使用过程中会挥发出有害物质,给人类带来严重的健康问题和环境污染问题2。因此,基于健康和安全以及环境友好保护等原因,开发了许多新工艺。其中,溶胶-凝胶技术是目前最有前景的金属防腐蚀预处理方法之一3-4。无机涂料以无机硅酸盐作为12第4 3卷 第1 2期2 0 2 2年1 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 3 N o.1 2D e c e m b e r 2 0 2 2成膜物质,以水为分散介质,具有耐候、耐酸碱、不燃、不霉、透气和环保等优点。在固化过程中溶剂的蒸发会导致无机涂层内产生微孔、微裂纹和空穴,导致涂层阻隔性能下降。为弥补无 机 涂 层 的 不 足,开 发 了 有 机-无 机 防 护 涂层5,通过添加聚合物6、缓蚀剂7、颜料8等改善无机涂层防腐蚀性能。S HE T R AN J I WA L L A等9以水性溶胶-凝胶法合成了交联环氧树脂-硫醇硅酸盐(T G S T)有机无机混合涂料作为低碳钢的腐蚀防护涂层,其缓蚀效果比非交联环氧树脂-硫醇涂层提高了9 6%,该方法可以有效防止低碳钢基体的腐蚀。KHO D A B AKH S H I等1 0以2-巯基苯并咪唑(MB I)和聚乙二醇(P E G)为有机缓蚀剂,将合成的表面改性的二氧化硅纳米粒子(N P s)掺入环氧基体中,制备了两种环氧/纳米粒子复合涂料,均表现出较好的阻隔性能。C A I等1 1将以聚多巴胺(P D A)为界面层的纳米氧化铈接枝碳纳米管引入聚氨酯中,得到的氧化铈-P D A-碳纳米管/聚氨酯复合涂层具有比其他聚氨酯基涂层更好的耐腐蚀和抗渗透性能。蒙脱土是一种具有片状结构的天然硅酸盐矿物材料,具有大的长径比和极高的比表面积,可以通过增加电解液的扩散长度、减少微孔和空穴以及在某些情况下增加交联密度来提高涂层的保护性能1 2。这些层状颗粒,在涂层中分散,可以有效增加扩散途径,使水和腐蚀性离子不易透过涂层,起到增强涂层耐蚀性的效果。本工作以正硅酸四乙酯(T E O S)为原料制备溶胶-凝胶涂层,将剥离的蒙脱土纳米片添加到溶胶-凝胶体系中,在铝合金表面制备蒙脱土溶胶-凝胶涂层,通过