碳纳米管/聚苯胺核壳型复合材料的制备及其防腐性能研究

作     者：邱国栋 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱爱萍;左林娜

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：聚苯胺 碳纳米管/聚苯胺 电化学活性 分散性 电化学防腐作用 防腐性能 

摘      要：聚苯胺（PANI）作为一种导电高分子,因其具有环境友好性、导电性和电化学活性等特点,使其在防腐材料领域显示出极其广阔的应用前景。大量文献报道,绿色环保的聚苯胺涂料凭借PANI自身电化学氧化还原活性的性质,可发挥出环氧树脂等常规防腐涂料所不具备的电化学防腐作用,大大提高其腐蚀防护效率。然而由于PANI独特的质子酸掺杂机制,当环境pH4时会去掺杂,导致导电性和电化学活性的消失,在海洋防腐等高pH（pH≥7）的应用场合,其电化学防腐作用难以发挥,成为PANI防腐应用的一大障碍。本文从如何使PANI在高pH环境中保持其电化学活性入手,研究了碳纳米管掺杂PANI的结构以及其热电性能;同时也进一步研究了其在防腐涂层中的防腐机理和防腐性能。1.以羧基化碳纳米管作为电荷转移掺杂剂,采用原位氧化聚合法制备了碳纳米管/聚苯胺（C-PANI）复合材料。采用透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外可见光谱（UV-Vis）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、循环伏安曲线（CV）、电导率测试等手段对复合材料的结构和性能进行表征,结果表明C-PANI复合材料呈现核壳结构,其形貌和结晶性可通过羧基化碳纳米管（C-MWNTs）和苯胺单体的比例来调控。相比于聚苯胺（PANI）,C-PANI复合材料的热稳定性和电导率明显提高;其间C-MWNTs和PANI通过π-π共轭作用和氢键作用形成了一种“电荷转移桥,使得其在酸性、中性甚至碱性（pH12）环境中仍然具有优异的电化学活性。2.将碳纳米管/聚苯胺（C-PANI）复合材料按不同比例填充在水性环氧改性丙烯酸树脂（EA）中,制备成C-PANI填充型EA复合涂层。以聚苯胺（PANI）、石墨烯片（Graphene）、石墨烯片/聚苯胺（G-PANI）作为对比防腐填料以揭示C-PANI防腐机理。采用光学显微镜（OM）、循环伏安曲线（CV）、电化学交流阻抗（EIS）、塔菲尔极化曲线（TafelPlot）、X射线光电子能谱（XPS）等测试技术对填料的性质和涂层防腐性能进行研究,结果表明相比于纯EA涂层,C-PANI填充型EA复合涂层的防腐性能得到明显提升,以填充量3wt%为最佳。与PANI、Graphene、G-PANI其他填料相比,C-PANI更容易在EA涂层中分散,并且涂层在酸性、中性及碱性环境中的防腐性能最佳。这与其在广泛的pH环境中仍然保持较强的电化学活性密切相关。此外,C-PANI填充型EA复合涂层在酸性溶液中主要表现为电化学防腐,而在中性和碱性溶液中主要表现为物理阻隔防腐。3.按照一定配方制得环氧浆料,将碳纳米管/聚苯胺（C-PANI）、聚苯胺（PANI）、石墨烯片/聚苯胺（G-PANI）分别作为防腐填料加入到环氧浆料中,制备成几种不同的填充型环氧复合涂料。通过对涂层的厚度测试、机械力学测试、表面电阻测试、浸泡实验测试、耐盐雾实验测试,主要研究比较了这几种聚苯胺基材料对环氧涂料综合性能的影响,以揭示C-PANI在环氧浆料中的应用价值。结果表明采用喷涂方式制备的涂层厚度基本维持在40±5μm。其中,空白环氧涂层具有良好的力学性能,PANI、C-PANI、G-PANI的加入,并没有对其力学性能造成负面影响。相比之下,填充C-PANI的复合环氧涂层具有最优异的抗静电性能,源于核壳结构的C-PANI更易在涂层中形成导电网络。同时C-PANI在涂层中较好的分散性也使得涂层具有最佳的耐介质性和耐盐雾性。