碳钢表面杂化膜的制备及防腐性能研究

论文摘要

碳钢,因其良好的机械可加工性能和低廉的价格被广泛应用于机械、建筑等各个领域。由于碳钢本身的耐腐蚀性能很差,在应用过程中,常常需要对其进行适当的表面处理来增加使用寿命。传统的表面处理工艺中,磷化和铬化展现出良好的防腐效果。但是,磷化、Cr（VI）有致癌和对环境有持久危险性。随着社会的发展,不久的将来,铬化和磷化在表面处理中的应用将会被禁用。因此,绿色环保、价格低廉的新型表面处理工艺的研究是一项非常有意义的工作并且成为国内外研究的焦点。为了制备以硅烷为主体的杂化膜,本论文首先研究了双-[3-（三乙氧基）硅丙基]四硫化物硅烷（油基硅烷）和乙烯基三甲氧基硅烷（水基硅烷）两种不同硅烷在碳钢表面的最佳成膜工艺。利用扫描电镜（SEM）、（EDS）等测试手段对硅烷膜的形貌和构成进行了表征。结果表明:两种硅烷均能在Q235碳钢表面形成比较均匀完整的硅烷膜。利用动电位极化曲线和电化A学阻抗（EIS）测试手段,研究了碳钢表面两种不同的硅烷膜在模拟海水中的电化学行为。结果表明:在短期内,两种硅烷膜都对碳钢有较好的防护效果,双-[3-（三乙氧基）硅丙基]四硫化物硅烷膜效果更佳。但是不足之处在于,单一的硅烷膜同其它的有机膜一样,耐蚀性能不理想,不能对碳钢起到较长期的保护作用。硅烷膜膜层很薄,并且在碳钢表面形成的是一种空间网络状结构,这种结构给一些无机纳米级颗粒提供了一定的填充空间。也就是说,通过硅烷与纳米级无机盐或氧化物共同作用,能够在碳钢表面生成一层更加致密,完整的有机/无机杂化膜。此外,我们知道:变价金属添加到涂层或膜中,能使膜或涂层产生一种自修复功能。铈是变价金属。硝酸铈盐常温下既能溶于水,也能溶于无水乙醇,并且无毒,价格不高;而正硅酸乙酯与硅烷共混可形成无相分离的溶胶,这就给我们的实验提供了一个很好的平台。针对上述的不足与优势,我们利用双-[3-（三乙氧基）硅丙基]四硫化物硅烷（油基硅烷）和乙烯基三甲氧基硅烷（水基硅烷）分别与硝酸铈盐复配,在碳钢表面制备了两种不同的硅烷/铈盐杂化膜。扫描电镜（SEM）结果显示:硝酸铈与水基的乙烯基三甲氧基硅烷共同作用生成的杂化膜中填充颗粒粒径在90纳米左右;而硝酸铈与油基的双-[3-（三乙氧基）硅丙基]四硫化物硅烷共同作用生成的杂化膜中填充颗粒粒径在40-50纳米之间。EDS结果表明:Ce确实是杂化膜的构成元素之一。动电位极化曲线和电化学阻抗（EIS）结果均表明:杂化膜对碳钢的防腐效果好于单独的硅烷膜,但是效果不是很明显;双-[3-（三乙氧基）硅丙基]四硫化物硅烷与硝酸铈共同作用形成的杂化膜的防腐效果要好于乙烯基三甲氧基硅烷与硝酸铈共同作用形成的杂化膜的防腐效果。与乙烯基三甲氧基硅烷相比,双-[3-（三乙氧基）硅丙基]四硫化物硅烷更适合碳钢体系。为了进一步提高杂化膜的防腐性能,我们又初步探索了将正硅酸乙酯、双-[3-（三乙氧基）硅丙基]四硫化物硅烷和硝酸铈共混,通过一步法,在碳钢表面制备杂化膜的工艺。动电位极化曲线、电化学阻抗（EIS）和3%CuSO4点滴实验说明,正硅酸乙酯的加入,的确提高了膜对碳钢的保护性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 金属腐蚀与防护技术概述
• 1.1.1 碳钢的腐蚀机理研究
• 1.1.2 传统的碳钢腐蚀与防护技术
• 1.1.3 新型的碳钢腐蚀与防护技术
• 1.1.4 膜技术的发展和研究现状
• 1.1.5 膜技术中存在的问题、应用前景及最新发展动态
• 1.2 硅烷偶联剂概述
• 1.2.1 硅烷偶联剂的发展历史
• 1.2.2 硅烷偶联剂的分类
• 1.2.3 硅烷偶联剂的应用
• 1.2.3.1 硅烷偶联剂用作表面处理剂
• 1.2.3.2 硅烷偶联剂应用于复合材料中
• 1.2.3.3 硅烷偶联剂在涂料中的应用
• 1.2.3.4 硅烷偶联剂在金属表面预处理中的应用
• 1.3 杂化膜概述
• 1.3.1 杂化膜的制备技术
• 1.3.2 杂化膜的应用
• 1.4 电化学测试概述
• 1.4.1 电化学测试概述
• 1.4.2 电化学工作站的基本原理及应用
• 1.4.2.1 交流阻抗的原理和应用
• 1.4.2.2 动电位极化扫描
• 1.5 本文的立体依据及主要研究内容
• 1.5.1 本文的立体依据
• 1.5.2 主要研究内容
• 2 碳钢表面硅烷膜的制备及性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂、实验仪器和设备
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 实验仪器与设备
• 2.3 硅烷膜的制备与表征
• 2.3.1 碳钢试样的预处理
• 2.3.2 不同浓度硅烷溶液的配置
• 2.3.3 硅烷溶液水解时间的确定
• 2.3.4 硅烷膜的制备
• 2.3.5 碳钢表面硅烷膜的制备过程示意图
• 2.4 VTOS 硅烷膜和BTESPT 硅烷膜的表征
• 2.4.1 扫描电镜与能谱的表征
• 2.4.2 电化学测试
• 2.5 实验结果与讨论
• 2.5.1 硅烷水解机理
• 2.5.2 硅烷缩聚机理
• 2.5.3 VTOS 硅烷溶液电导率随水解时间变化的表征分析
• 2.5.4 VTOS 动电位极化曲线的分析
• 2.5.5 不同体积比BTESPT 硅烷膜动电位极化曲线分析
• 2.5.6 不同体积比BTESPT 硅烷膜EIS 曲线分析
• 2.5.7 碳钢及硅烷膜表面形貌表征
• 2.5.8 碳钢及硅烷膜元素分布
• 2.5.9 pH 值对硅烷水解的影响
• 2.5.10 硅烷在金属表面的成膜机理
• 2.6 本章小结
• 3 硅烷/铈盐杂化膜的制备及性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂、实验仪器和设备
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器与设备
• 3.3 实验
• 3.3.1 硅烷/硝酸铈盐溶液的配置
• 3.3.2 杂化膜的制备
• 3.4 实验结果与分析
• 3）₃ 修饰碳钢电极的动电位极化曲线分析'>3.4.1 不同硅烷/ Ce（N0₃）₃修饰碳钢电极的动电位极化曲线分析
• 3）₃ 杂化膜电极的EIS 分析'>3.4.2 不同硅烷/ Ce（N0₃）₃ 杂化膜电极的EIS 分析
• 3.4.3 杂化膜的表面形貌和组成元素分析
• 3.4.4 杂化膜的成膜机理
• 3.4.5 硅烷膜与硅烷/铈盐杂化膜电化学性能比较
• 3.5 本章小结
• 4 硅烷/铈盐/正硅酸乙酯杂化膜的制备及性能表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验试剂
• 4.3 实验仪器与设备
• 4.4 实验
• 4.4.1 硅烷/硝酸铈盐/正硅酸乙酯溶液的配置
• 4.4.2 杂化膜的制备
• 4.5 电化学结果与讨论
• 4.5.1 杂化膜的动点位极化曲线
• 4.5.2 杂化膜的EIS 曲线
• 3）₃ /TEOS 杂化膜的表面形貌'>4.6 BTESPT/ CE（N0₃）₃ /TEOS 杂化膜的表面形貌
• 3）₃ /TEOS 杂化膜的组成元素'>4.7 BTESPT/ CE（N0₃）₃ /TEOS 杂化膜的组成元素
• 4 溶液点滴试验'>4.8 396 CuS0₄溶液点滴试验
• 4.8.1 检测液的配置方法
• 4.8.2 点滴实验终点的判断
• 4.9 结论
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 文章发表情况