铝合金表面超疏水ZnAl-LDH薄膜的制备及其防腐蚀性能的研究

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铝合金的比强度高,同时具有优良的加工性,可焊接性,导电性和耐蚀性能,已被广泛应用于交通运输,电子通讯,航空航天,海洋船舶等领域。随着我国海洋开发进程的不断推进,铝合金在海洋领域的应用也越来越广泛。但是海洋环境中存在大量的侵蚀性氯离子,同时海水中含有丰富的溶解氧,这导致铝合金在海洋环境中极易发生电化学腐蚀而被破坏。为提高铝合金的防腐蚀性能,主要通过制备阳极氧化膜与化学转化膜等表面处理技术。在众多化学转化膜中,层状双氢氧化物(Layer double hydroxide,LDH)以其优良的防腐蚀性能及环境友好型的特点被认为是潜在铝合金防腐材料。本课题基于探索实验发现的Al6061表面制备的Zn Al-LDH薄膜存在自发由亲水性向超疏水性转变的现象开展,采用表面改性法与原位一步法成功制备了超疏水Zn Al-LDH,其中原位一步法首次真正意义上实现了超疏水Zn Al-LDH的简单有效制备。采用XRD,SEM,XPS,FT-IR,AFM和电化学测试技术系统的研究了各种Zn Al-LDH薄膜生长机理,并研究了各薄膜对Al6061防腐蚀性能的影响。主要得出以下结论:(1)原位合成法制备的Zn Al-LDH薄膜存在自发由亲水性至超疏水性转变的现象,这种转变与Zn Al-LDH表面粗糙度有关而与层间阴离子类型无关。在转变过程中,Zn Al-LDH薄膜没有发生新物质的生成或者吸附,这种转变归因于原位合成时存在于薄膜中的应力。在大气环境中Zn Al-LDH片会缓慢释放应力,这将导致Zn Al-LDH片的破裂。片的破裂导致薄膜表面粗糙度减小,疏水性随之增强。通过电化学测试发现超疏水Zn Al-LDH能够给Al6061提供更有效的防腐蚀效果。(2)使用三种表面活性剂月桂酸(La),肉豆蔻酸(Ma),硬脂酸(Sa)对Zn Al-LDH-CO3进行二次改性分别得到了超疏水Zn Al-LDH-La,Zn Al-LDH-Ma,Zn Al-LDH-Sa,这种改性方法源于表面活性剂具有降低表面能的作用。分别对比了各超疏水Zn Al-LDH与Zn Al-LDH-CO3在3.5 wt.%Na Cl溶液中的腐蚀行为,发现超疏水Zn Al-LDH均明显增强了Al6061的防腐蚀性能,其中经硬脂酸改性后的Zn Al-LDH-Sa的耐蚀性能最好。超疏水Zn Al-LDH优异的防腐蚀性能归因于薄膜在溶液中会形成固-气-液界面层,该界面层能够将腐蚀介质与基体隔离从而抑制腐蚀的发生。(3)使用一步法原位制备了由十二烷基硫酸钠(SDS)插层的超疏水LDH-SDS,并详细研究了LDH-SDS生长机理。LDH-SDS薄膜的超疏水性归因于表面粗糙度和表面能的共同作用,表面粗糙度的增加和表面能的降低有利于提高薄膜的疏水性能。同时,在LDH-SDS薄膜上观察到了高达161°的静态接触角,同时LDH-SDS薄膜在长期暴露于大气环境及各种p H溶液下仍能保持稳定的超疏水性能。(4)通过对比无薄膜及含亲水LDH-CO3与超疏水LDH-SDS薄膜的Al6061在不同溶解氧浓度下的电化学腐蚀行为,详细探讨了溶解氧浓度对其阴极极化行为的影响。三者的阴极极化过程均受到溶解氧扩散控制,而Al6061的极化行为还与溶解氧的初始浓度有关。初始溶解氧浓度越大,Al6061的极化速度越快,而当铝合金表面存在LDH-CO3与LDH-SDS薄膜时,其极化行为与溶解氧浓度无关。LDH薄膜的存在抑制了溶解氧扩散到铝基体,减缓了Al6061的阴极极化过程,而超疏水LDH-SDS会额外形成固-气-液界面层,该界面层可以提供更强的抑制作用。
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