功能化MXene基水性环氧复合涂层的防腐性能研究

作     者：黎思豪 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张力

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：MXene 水性环氧涂层 功能化改性 防腐性能 

摘      要：一直以来,腐蚀造成了严重的安全隐患、环境污染和巨大的经济损失。据估计,腐蚀造成的年经济损失甚至超过全球GDP的3%。在金属基材表面涂敷有机聚合物涂层是一种经济有效且应用广泛的防腐蚀方法。环氧树脂因其优异的性能而被广泛使用,例如在基材上的良好附着力、高交联密度、优异的耐化学性和耐候性。但传统的溶剂型环氧涂料通常含有高挥发性有机化合物(VOCs),随着人们环保意识的增强,环保型水性环氧(WEP)涂料引起了越来越多的关注。然而,由于固化过程中水分的蒸发,WEP涂层中会产生微孔和微裂纹,腐蚀介质很容易渗透到金属表面并引发腐蚀。二维纳米材料有着大的横纵比、优异的水氧阻隔性能、抗离子渗透性和化学稳定性,将其作为功能填料与聚合物涂层复合可以发挥它的“纳米屏障效应,进而在涂层中构建“迷宫效应以延长腐蚀介质的渗透路径,为涂层的长效防腐提供了有力的保障。MXene作为一种新型二维材料,在2011年被首次发现,它是过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物。MXene具有高比表面积、优异的亲水性和丰富的表面功能基团,但MXene在有机聚合物涂层中易团聚及自然重堆叠趋势严重限制了其阻隔性能与防腐性能的有效发挥。本论文通过三种不同的方法对MXene进行功能化改性,提高MXene在WEP涂层中的分散性与界面相容性,进而增强复合WEP涂层的防腐性能,并探究其防腐性能增强机理。具体研究内容如下:(1)采用L-半胱氨酸对MXene纳米片进行修饰,以制备功能化MXene(fMX)杂化材料。FTIR、XRD、EDS和XPS的结果证实,L-半胱氨酸已成功地对MXene的表面进行功能化改性。随后,将fMX作为填料引入到WEP基体中制备复合涂层,通过电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化(PD)测试系统研究了涂层的防腐性能。结果表明,与空白WEP相比,在3.5 wt.%NaCl溶液中浸泡30天后,fMX/WEP仍保持较高的最低频率阻抗模量(1.21×10Ω·cm)和较低的腐蚀速率(7.95×10 mpy)。这是由于fMX纳米片在WEP基体中的良好分散性以及fMX提供的增强的阻隔性能。本章研究为绿色改性MXene提高涂层的耐腐蚀性提供了一种有前景的策略。(2)采用磷酸改性壳聚糖(mCS)功能化MXene(fMX),并用于赋予WEP涂层出色的防腐性能。结果表明,0.2 wt.%fMX/WEP的最低频阻抗模量(4.73×10Ω·cm)比空白WEP(2.09×10Ω·cm)高出两个数量级以上。0.2 wt.%fMX/WEP在3.5 wt.%NaCl溶液中浸泡50天后腐蚀电流密度仍然保持在5.44×10 A/cm,比空白WEP(5.23×10 A/cm)低近两个数量级以上。因此,这种新型的mCS功能化MXene可作为一种有效的复合纳米填料,用于制备MXene基高性能防腐涂料。(3)采用聚多巴胺(PDA)对由MXene和剥离的α-ZrP(e-ZrP)组成的二元填料进行原位功能化改性制得MXene-ZrP@PDA异质结构防腐填料。详细表征了MXene-ZrP@PDA的形貌、晶体结构组成和表面官能团。然后将MXene-ZrP@PDA引入WEP中,以实现在WEP中的均匀分散。采用EIS和PD测试评价了复合涂层的防腐性能,并通过摩擦试验测试涂层的耐磨性能。结果表明,MX-ZrP/WEP(1.70×10 mpy)的腐蚀速率比空白WEP(1.28×10 mpy)低1个数量级。此外,MX-ZrP/WEP复合涂层的磨损率与空白WEP涂层相比降低了82.06%。总之,通过复合MXene-ZrP@PDA可以显着提高WEP的防腐/耐磨性能。