ZnAl-MOFs复合涂层设计、制备及耐蚀性能研究

作     者：张新伟 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任耀剑

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：金属有机框架化合物 ZIF-8薄膜 ZIF-8/Zn(OH)F ZIF-8/LDH复合膜 腐蚀防护 

摘      要：钢铁作为在交通、建筑、石油化工等领域应用最为广泛的金属材料,在湿度大、Cl含量高的海洋环境下服役时,会不可避免地与腐蚀介质发生电化学反应而被腐蚀。目前,Zn Al合金已经被应用在海洋腐蚀环境中钢材表面的防腐涂层中,为钢材提供保护。但热喷涂后的涂层中存在气孔、微裂纹等缺陷,这导致涂层的防腐作用大大下降。而MOFs作为一种新型功能材料因其可调的结构和功能、大的表面积、丰富的活性位点等特性,在海洋腐蚀检测与防护的领域中有广泛的研究及良好的应用前景。因此,本文基于Zn Al涂层,通过水热法在表面制备ZIF-8薄膜,研究薄膜组织特征及腐蚀性能,探究防腐机制。1、以氯化胆碱和尿素配制的低熔点共晶混合物作为溶剂,通过二次生长法在涂层表面制备ZIF-8薄膜,用XRD、FT-IR等手段进行表征。结果表明:ZIF-8膜在Zn Al涂层表面制备成功,相较于传统方法,二次生长法制备的ZIF-8薄膜更加致密光滑。薄膜拥有较好的疏水性,静态润湿角分别为95°、96.7°和98°,电荷转移电阻R分别为12814?/cm、12920?/cm和13218?/cm,电阻值提高了2个数量级,并且因为氯化胆碱季铵盐的加入,薄膜表面的腐蚀速率降低。不同摩尔比的ZIF-8薄膜表面结构、致密度有所不同,其中耐腐蚀性最好的摩尔比为1:16的ZIF-8薄膜,保护效率分别为90.17%、91.16%和93.41%。2、通过在涂层表面形成Zn(OH)F层,再以低熔点共晶混合物作为反应溶剂,通过配体交换法形成不同摩尔比的ZIF-8/Zn(OH)F复合膜。用XRD、FT-IR等手段进行表征。结果表明:ZIF-8/Zn(OH)F复合膜在Zn Al涂层表面制备成功,相较于单层结构的ZIF-8薄膜,通过配体交换法制备的复合膜,其致密性得到了进一步提高,润湿角分别为102°、106.5°和104°。而复合膜拥有的双通道,延长了腐蚀介质到达涂层表面的时间,季铵盐的释放会降低腐蚀速度,因此提高了薄膜的防腐性能,其电荷转移电阻R分别为18952?/cm、19580?/cm和19110?/cm,防腐性能最好的为摩尔比为1:8的复合膜,对涂层的保护效率得到了提高,分别为94.62%、97.89%和95.99%。3、通过在涂层表面分别形成金属离子不同摩尔比的Zn Al-LDHs,以配体交换法形成ZIF-8/LDH复合膜。结果表明:ZIF-8/LDH复合膜在Zn Al涂层表面制备成功,与前两章的薄膜相比,以Zn Al-LDHs为基础制备的ZIF-8薄膜结构致密进一步提高,表面更加光滑,润湿角分别为108°、113°和110°,电荷转移电阻R分别为61201?/cm、75790?/cm和72850?/cm。由于Zn Al-LDHs层存在酸根离子,能与Cl发生交换反应,此时Cl被容纳在Zn Al-LDHs层间,Cl被容纳到层间并与带正电的层板成键,限制了Cl在层间的移动,延长到达涂层表面的时间,进一步加强薄膜的耐腐蚀性。ZIF-8/LDH复合膜的保护效率为本文最高,分别为98.62%、99.38%和99.18%。该论文有图48幅,表7个,参考文献124篇。