Corros. Sci.：通過“迷宮效應”和鈍化作用協同增強防腐性能的有機納米復合涂層

Nancy 6年前 (2017-12-02) 6924瀏覽

【引言】

有機涂層在金屬材料的防腐蝕領域得到了廣泛應用，它可有效地保護金屬基材免受腐蝕。然而，單純的有機涂層并不是一個完美的物理屏障，涂層在成膜過程中溶劑的揮發可能導致涂層內產生微孔和針孔等缺陷，這使得涂層對腐蝕介質存在滲透性。另外，有機涂層長時間地暴露在腐蝕環境中，由于涂層組分的浸出也會導致孔隙形成，從而加速涂層損傷和金屬基底的腐蝕。目前，已經嘗試了各種方法來改善有機涂層的阻隔性能。其中，納米填料能有效地改善有機涂層的防腐蝕性能。六方氮化硼(h-BN)被稱為“白色石墨烯”，具有類似于石墨烯的層狀結構特征和類似性能如高抗滲性，機械性能和導熱性。此外，與導電性石墨烯相比，h-BN的優良的電絕緣性使得h-BN與下層金屬基體之間發生電偶腐蝕的可能性很小。然而，相比于石墨烯在防腐涂層引起的廣泛關注，h-BN對金屬長期抗蝕性能的研究報道很少。

【成果簡介】

近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所王立平研究員、趙海超研究員（共同通訊作者）等人在h-BN改性重防腐涂層方面的取得了進展，該小組利用可溶性導電聚合物聚(2-丁基苯胺)(PBA)將層疊的h-BN粉末剝離獲得了少層的h-BN納米片，并且將其加入環氧涂層中制備導電聚合物和h-BN協同增強的納米復合涂層。結果表明，由于h-BN的“迷宮效應”和PBA對金屬基底的鈍化作用，使得制備的復合涂層具有高阻抗模量和低吸水性，進而表現出優異的阻隔和腐蝕防護性能。相關研究成果以“Processable Poly(2-butylaniline)/Hexagonal Boron Nitride Nanohybrids for Synergetic Anticorrosive Reinforcement of Epoxy Coating”為題發布在腐蝕科學的權威期刊Corrosion Science上。

【圖文導讀】

圖1.借助PBA將h-BN分散在四氫呋喃(THF)中的示意圖及PBA、h-BN的形貌結構表征?

(a) (左)在THF中的h-BN; (右)在PBA的輔助下，在THF中的h-BN

(b) PBA的SEM照片

(c，d，e) 剝離的h-BN的TEM，HRTEM和電子衍射圖像

(f)剝離的h-BN的SPM圖像

圖2.納米復合涂層的表/斷面形貌

1）表面形貌

(a)純環氧樹脂 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (b) BN0.5EC

(c) BN1.0EC ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(d) BN2.0EC

（注BNxEC中x表示的意義為環氧納米復合涂層中h-BN納米片的含量：如以相似的方式制備具有不同含量的h-BN納米片（0.5wt％，1.0wt％和2.0wt％）的環氧納米復合涂層，命名為純環氧樹脂，記為BN0.5EC，BN1.0EC和BN2.0EC）

2）斷面形貌

(a)純環氧樹脂 ? ? ? ? ? ? (b)BN0.5EC

(c)BN1.0EC ? ? ? ? ? ? ? ? (d)BN2.0EC

圖3. OCP測試結果


(a)浸泡4天后，EIS測量前后連續測量30分鐘的OCP

(b)隨浸泡時間變化的不同涂層/鋼系統的OCP值

圖4. 純環氧樹脂不同浸泡時間的EIS結果和相應的等效電路(EECs)

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(a和b)純環氧樹脂在3.5wt％NaCl溶液中浸泡不同時間的波特圖(實線和散點分別代表擬合和實驗數據)

(c和d)對應的等效電路EECs

圖5. BNxEC體系不同浸泡時間的EIS結果和相應的等效電路(EECs)


(a-f)BNxEC涂層在3.5wt％NaCl溶液中浸泡不同時間的波特圖(a / b：BN0.5EC; c / d：BN1.0EC; e / f：BN2.0EC；)?

(h)相應的等效電路(EEC)

圖6.不同涂層/鋼系統在不同浸泡時間下的研究

?(a)Rc的變化

(b)CPEc的變化誤差棒為CPEc和Rc值的擬合誤差

圖7. 腐蝕形貌及腐蝕產物分析

(a)純環氧樹脂 ? ? ? ? ? ? ? ? (b)BN0.5EC

(c)BN1.0EC ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (d)BN2.0EC

(e)不同涂層涂覆的基底在3.5wt％NaCl溶液中長時間腐蝕后的XRD圖譜

圖8.未腐蝕的裸基板的表面形態


?(a)拋光后裸鋼的表面形貌

(b)浸泡50天后純環氧涂覆基底的表面形貌

(c)浸泡120天后BNxEC涂覆基底的表面形貌

(d) 圖b中區域的EDS圖

圖9.不同涂層與浸泡時間之間的吸水曲線

圖10. BNxEC的防腐蝕機制

BNxEC系統的保護機理如圖10所示。一方面，少量h-BN納米片（h-BN的含量為0.5?1.0wt％）隨機分散在涂層中會產生一個“迷宮” 效應，它能有效增強涂層的阻隔性能，從而曲折擴散路徑并抑制腐蝕介質的滲透。 另一方面，PBA的添加不僅實現了h-BN在環氧樹脂基體中的隨機分散，而且還作為電活性材料，通過鈍化金屬表面實現對基材的保護。
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【小結】

該研究采用溫和的非共價方法實現了h-BN在有機溶劑中的剝離，這對于h-BN作為納米填料在有機防腐涂料中的應用至關重要。該文的主要研究結果如下：

(1)在超聲波輔助下，利用聚(2-丁基苯胺)(PBA)作為分散劑，實現了h-BN在THF中的液相剝離。拉曼光譜和紫外-可見吸收光譜結果表明，h-BN和PBA之間的π-π相互作用使得h-BN納米片的分散性高度穩定。此外，層疊的h-BN粉末被剝離成薄層的h-BN納米薄片，這可以通過TEM和SPM結果來證實;

(2)采用電化學測試的方法研究了納米復合涂層電極在3.5％NaCl溶液中的腐蝕行為。OCP和EIS與浸泡時間變化的結果表明：BN0.5EC和BN1.0EC體系在長時間浸泡過程中可以提供相對穩定的腐蝕防護性能;

(3)納米復合涂層的吸水率測試和腐蝕表面的SEM和EDS分析結果表明，BNxEC體系長期的腐蝕保護性能是由于均勻分布的h-BN納米片形成了物理屏障以及導電PBA對金屬表面的鈍化作用協同作用的結果。

文獻鏈接：Processable Poly(2-butylaniline)/Hexagonal Boron Nitride Nanohybrids for Synergetic Anticorrosive Reinforcement of Epoxy Coating (Corrosion Science, doi: 10.1016/j.corsci.2017.11.022)

本文由材料人編輯部金屬材料學術組Nancy整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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