PANI-无机纳米复合材料的制备及其在环氧涂料中的防腐作用研究

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金属腐蚀广泛存在于日常生活与工业生产中,因腐蚀导致的直接经济和资源损失巨大,表面有机防腐涂层是应用最为广泛的金属防腐方法。聚苯胺(PANI)是一种重要的导电聚合物,原料价廉易得,合成方法简单。聚苯胺涂层在电化学腐蚀过程中能通过可逆氧化还原状态之间快速得失电子促使金属表面形成致密氧化膜(Fe2O3)实现对基材的化学保护而成为防腐涂料领域的研究热点。然而,聚苯胺力学性能不足,分散性和溶解性差,限制了其在涂料领域的工业运用。为此,本论文将聚苯胺与无机功能纳米材料复合,制备了分散性良好的聚苯胺-氮化钛(PANI-TiN)和聚苯胺-磷酸锆(PANI-ZrP)有机无机复合物。研究了两种复合物对涂料防腐性能的影响及防腐机理。本论文开展如下几个方面的研究:(1)采用化学氧化聚合法制备PANI和不同质量比的PANI-TiN复合物。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)、X-射线光电子能谱(XPS)和四探针测试仪等表征了PAN-TiN复合物的化学结构、表面形貌、分散性和导电性。结果表明,氮化钛均匀存在于聚苯胺表面,能有效降低聚苯胺的团聚同时增强聚苯胺的导电性。(2)采用水热法制备了不同尺寸的碟状α-磷酸锆(α-ZrP),再通过化学氧化聚合法制得不同质量比的聚苯胺-磷酸锆纳米复合材料(PANI-ZrP)。通过SEM、FTIR、X-射线衍射光谱(XRD)和四探针测试仪等表征了PANI-ZrP复合物的化学结构、表面形貌、分散性和导电性。结果表明,磷酸浓度为3 mol/L时制备的α-ZrP具有最大的宽高比和规整的六边形晶形。FT-IR光谱中,PANI-ZrP复合物特征峰的位置和强度都随α-ZrP的增多而出现相应变化,表明PANI与α-ZrP接枝成功。当苯胺单体与α-ZrP质量比为1:0.8时,两者接枝最好,苯胺均匀聚合在磷酸锆表面,有效降低了聚苯胺的团聚和导电性。(3)采用交流阻抗谱(EIS)、极化曲线(LSV)对PANI-TiN和PANI-ZrP有机无机复合环氧涂料进行电化学防腐性能测试,Zsimpwin软件对交流阻抗谱进行拟合得到等效电路,从而分析功能填料对涂层耐腐性能影响和涂层腐蚀动力学过程。通过实验得出,当苯胺单体与TiN和苯胺单体与α-ZrP质量比分别为1:0.2和1:0.8时,制备的有机无机复合涂层耐蚀性最好,其阻抗值相对纯环氧基材分别提高到1-2个数量级。通过分析锈层的化学组成(XRD和XPS)探究了复合涂层的防腐机理。高分散PANI“钝化效应”和无机纳米材料“迷宫效应”共同促进了其耐腐蚀性能的提高。
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