苯并噁嗪复合涂层的制备及其防腐蚀性能研究

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金属具有优异的导电性、导热性以及良好的可加工性而被广泛应用于人类生活的各个方面,但是金属腐蚀导致了不可再生资源的浪费,对经济、环境以及人民生活带来了严重影响和不可逆的破坏。金属的防护一直是材料领域研究热点和重点之一。研究工作者通过使用各种的防护手段对金属进行防腐蚀改性,其中有机涂层是目前综合性能最佳、取材最易的一种防腐材料。有机涂层可以通过物理、化学或者其他的方式在金属表面形成具有一定厚度的均匀覆盖层,可以有效地的将金属与腐蚀介质分隔开来,进而避免金属与腐蚀介质直接接触,从而保护金属。近年来,苯并噁嗪作为一种成功实现产业化的高性能热固性树脂,与传统的热固性树脂相比,苯并噁嗪具有低表面自由能、零收缩率、良好的电绝缘性以及灵活的分子设计性,这些特性使得苯并噁嗪作为防腐蚀材料时具有巨大的使用前景以及重要的意义。本课题针对传统有机涂层作为防腐蚀材料时所存在的对基体附着力差,机械性能较差,使用成本过高等缺陷,以双酚A型苯并噁嗪(PBa)为主体,充分发挥苯并噁嗪自身的有点,并针对其不足进行优化,制备基于苯并噁嗪复合涂层,并对涂层进行防腐蚀性能考察和机理分析。首先针对双酚A型苯并噁嗪脆性大、机械性能较差以及对涂层附着力不佳等缺陷,将含硅氧烷环氧树脂引入到体系中,通过物理共混后热固化的方法制备了苯并噁嗪/含硅氧烷环氧树脂(SiEPB)复合涂层。采用红外光谱对涂层结构进行了分析,证明了苯并噁嗪和环氧树脂之前发生了反应,在涂层形成过程中实现了 Si-O-C键到Si-O-Si键的转变;采用静态接触角测试对复合涂层疏水性能进行考察,结果表明含硅氧烷环氧树脂的添加能有效地提高涂层疏水性能(109±1°),远优于MS(80±1°)和苯并噁嗪(96±1°);采用划格法并通过SEM对涂层附着力进行考察,结果表明SiEPB复合涂层(0级)的附着力明显高于PBa涂层(5级);最后通过电化学测试对涂层防腐蚀性能进行分析,结果表明SiEPB复合涂层(<3.17×10-5mm/year)的腐蚀速率相对于MS样品(4.53×10-3mm/year)有了明显的降低,同时复合涂层的防护效率也高于99%。其次,为了在SiEPB复合涂层的基础上提高其热稳定性以及防腐蚀性能,在苯并噁嗪共混含硅氧烷环氧树脂的基础上添加了有机化改性后的SiO2纳米粒子来对其进行改性。通过热固化的方法制备了一系列苯并噁嗪共混含硅氧烷环氧树脂纳米复合涂层(SiEPB/SiO2),其中SiO2含量分别为1wt%、3wt%和5wt%。通过红外光谱对改性前后的纳米粒子进行分析,结果表明有机改性使SiO2纳米粒子通过共价键的方式于SiEPB相连接,使得纳米粒子有效的分散在涂层的网络结构中和表面上,提高了纳米粒子的分散性。采用SEM对涂层表明形貌进行探究,结果表明SiO2纳米粒子的含量越高,涂层表面聚集情况越明显,越粗糙;然后通过电化学测试法对SiEPB/SiO2纳米复合涂层进行了防腐性性能分析,结果表明,SiO2纳米粒子的添加可以有效地提高涂层的防腐蚀性能,并且随着含量的增加,防腐性性能越优异,这归功于SiO2纳米粒子附着在涂层网状结构中并形成致密的网络结构,提高了涂层的致密性和屏蔽能力,并且在金属与涂层的界面处形成铁-硅酸盐钝化层,极大程度上保护了金属基体;当SiO2的添加量为5wt%时,此时涂层性能最佳,其腐蚀速率(1.05×10-6 mm/year)相对于未添加纳米粒子的SiEPB复合涂层(9.59× 10-6 mm/year)降低了 9倍,同时相较于MS低碳钢样品(4.53× 10-3 mm/year)其腐蚀速率降低了 3个数量级。最后通过热重分析考察了复合涂层的热稳定性,结果表明,SiO2纳米粒子的添加可以有效地提高涂层的热稳定性,并且纳米粒子的含量越高,涂层热稳定越佳,相对SiEPB在800℃时45.7%的残留率,SiEPB/5%SiO2纳米复合涂层此温度下的残留率达到了 54.4%。
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