碳钢表面聚吡咯防护膜的制备与耐蚀性能研究

作     者：李卓航 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭兴蓬;邱于兵

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：聚吡咯 Q235钢 复合防护层 阴离子掺杂 耐蚀性 

摘      要：聚吡咯(PPy)是目前研究最为广泛的导电高分子材料之一,具有制备方便、导电性佳、对环境友好无害等优点,其在腐蚀防护涂层领域的应用研究受到了越来越多的关注。但目前PPy膜层自身仍然存在附着力较差、结构疏松、抗降解能力弱等问题,在活性金属表面的制备也存在种种限制,导致其实际防护效果并不理想。PPy膜防护性能的提高主要是通过其与金属氧化物纳米颗粒、石墨烯等新材料进行复合,但这些方法并未改善PPy自身存在的问题。本文基于多层多功能PPy复合防护膜的思路,采用不同特性的PPy构建复合防护层来实现综合防护效果的提升。首先从PPy的掺杂制备出发,筛选优化电化学聚合条件和掺杂离子,获得兼具防护性与基体粘附性的高性能底层PPy膜;再在外层生长高稳定性PPy膜,构建了双层PPy复合膜防护体系。然后进一步尝试PPy膜的功能化设计,实现PPy防护膜层长期稳定和良好防护性。主要研究结果如下:(1)筛选了掺杂离子和不同电化学制备方法,最后选择脉冲恒电位法在Q235钢表面制备了对甲苯磺酸根离子(p TS)掺杂的单层PPy/p TS膜(～10μm)。通过电化学测试和物理表征研究了不同聚合参数对PPy/p TS膜的影响并确定了优化参数。结果表明,在优化参数条件下制备得到的PPy/p TS膜结构致密均匀,表面接触角较大(84.7°),可以在25℃、3.5%Na Cl溶液中对Q235钢实现7天的保护。(2)选用恒电流法和中等体积的水杨酸根离子(SA)掺杂,在制备的底层PPy/p TS膜(～5μm)基础上进一步制备外层PPy/SA膜(～6μm)。研究了SA浓度对其性能的影响,发现10 mmol L为最佳SA掺杂浓度。新制备的PPy/SA+PPy/p TS双层复合膜(～10μm)结构紧密,具有一定的电化学活性,且外层PPy/SA的制备过程对内层PPy/p TS几乎没有损害。在25℃、3.5%Na Cl溶液的长期浸泡实验中,PPy/SA+PPy/p TS双层复合膜并未产生局部破损,腐蚀介质逐渐渗透PPy膜到达基体而产生均匀腐蚀,为Q235钢提供了20天的防护,防护性能比同等厚度的单层PPy/p TS膜显著提升。(3)通过外层PPy掺杂大体积十二烷基苯磺酸根离子(DBS)和底层PPy引入缓蚀性钼酸根离子(Mo O)的方法,制备了PPy/DBS+PPy/p TS(Mo O)功能性双层PPy复合膜(～10μm)。优化后的PPy复合膜电化学活性较低,主要表现为阳离子交换行为,并与基体结合紧密(结合力达到4.62 N左右)。在25℃、3.5%Na Cl溶液的长期浸泡实验中,PPy复合膜同样并未产生局部破损,对Q235钢基体的保护时间延长到～66天,防护性能比同等厚度的单层PPy/p TS膜和PPy/SA+PPy/p TS双层复合膜大幅提升。在防护失效后,外层PPy依然保留了大部分原貌,而大部分内层PPy仍然与基体结合紧密。引入缓蚀阴离子(Mo O)通过PPy膜层自动释放,可抑制基体腐蚀延长复合膜的防护时间,但并不能阻止腐蚀介质在PPy膜中的渗透。