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不锈钢表面高性能纳米防护涂层研究

陆洪彬  
【摘要】:不锈钢是一种常见的抗腐蚀材料,在国民经济建设中发挥着重要作用。然而在实际使用中,由于受各种环境因素的影响,其使用寿命往往比预期短得多。这不仅造成了安全隐患,而且还因为提前更换钢材造成极大的资源、能源浪费。涂层防护是提高不锈钢抗腐蚀、抗污能力的一种简便、有效的方法,也是将不锈钢推向高端应用领域的途径之一。涂层不锈钢不仅在大飞机、高速铁路机车、探月等重大工程中发挥积极作用,而且在家电、汽车、厨具、电梯等日常生活中也有广泛应用。 在涂层不锈钢生产技术中,传统化学电镀法不但工艺复杂、能耗高、成本高,而且生产过程中会产生大量有毒致癌物质,欧盟“汽车寿命终结条令”(2000/53/EC)和“化学品注册、评估、授权和限制制度”(COM(03)644(01))已明令禁止使用该方法。因此,开发新型、高效、环保的防护涂层已经成为国内涂层不锈钢产品推向国际市场亟待解决的关键技术难题。 本文以表面有机改性纳米SiO2颗粒为填料,以丙烯酸-环氧复合树脂为基料,分别通过共混和原位聚合两种工艺在430不锈钢表面制备了纳米SiO2-丙烯酸-环氧复合涂层,系统研究了涂层的抗腐蚀性能及其作用机理。本文还通过循环伏安法分别在H2C2O4、H2SO4和HNO3三种质子酸溶液中合成导电聚苯胺(PANI)涂层用于430不锈钢的表面防护,系统研究了质子酸种类刘PANI涂层的形貌、抗腐蚀性能和抗腐蚀机理的影响。获得的主要结论有: 1.硅烷偶联剂3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)提高了纳米SiO2在有机溶剂中的分散性。采用γ-MPS改性SiO2颗粒制备的SiO2-丙烯酸-环氧复合涂层的防护效率(99.72%)显著高于用未改性纳米SiO2颗粒制备的涂层(70.27%);经过200 h盐雾试验后,含未改性纳米SiO2的复合涂层沿划痕发生分层,引起分层的主要原因是涂层内纳米颗粒团聚造成的缺陷(如团聚、气泡)以及较弱的涂层附着力;而利用改性纳米SiO2制备的复合涂层200 h不分层,即便经过500 h也仅观察到极少部分出现分层,这种抗腐蚀性的增强主要归因于改性纳米Si02与不锈钢在界面处实现了Fe-O-Si共价键结合。 2.原位聚合法制备的SiO2-丙烯酸-环氧复合涂层的耐中性盐雾时间超过1000 h,抗腐蚀性能优于共混法涂层。这是因为原位聚合从结构上改善了纳米SiO2在有机高分子树脂中的分散均匀度,充分发挥了纳米粒子对抗腐蚀性的增强作用。 3.不锈钢表面SiO2-丙烯酸-环氧复合涂层的失效起源于涂层内部不均匀的缺陷。氧浓差腐蚀电池和H+自催化作用加速了这些缺陷处不锈钢的腐蚀。腐蚀产物削弱了涂层与基底之间的结合,最终导致涂层失效。 4.通过循环伏安法在H2C2O4、H2SO4和HNO3中合成的PANI涂层提高了430不锈钢的抗腐蚀性能,三种涂层的防护效率由高到低分别为HNO3-H2SO4-H2C2O4-PANI;其中,HNO3-PANI涂层在电聚合过程中的生长速率较小,结构较光滑、致密,与基底附着力较好。 5.在H2C2O4-PANI/不锈钢体系中,涂层本身的物理阻隔对其抗腐蚀性能起主导作用;尽管HNO3-PANI和H2SO4-PANI也有一定的物理阻隔作用,但在SS和PANI界面处因催化作用形成的氧化物钝化层是其获得优异抗腐蚀性能的主要原因。


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