CN103184406A - 提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂 - Google Patents
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Abstract
一种提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂，由正硅酸乙酯、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、25vol.%硝酸、25vol.%氨水、蒸馏水，其配比按体积比为：正硅酸乙酯：无水乙醇：蒸馏水：γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷=4:3:1:4~6，N,N-二甲基甲酰胺用量体积为正硅酸乙酯、无水乙醇、蒸馏水和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷试剂用量总体积的20%~30%，用溶胶-凝胶法制备，其中25vol.%硝酸和25vol.%氨水作为pH值调节剂，使用该杂化材料封孔剂封孔处理的等离子喷涂层的孔隙率降低为未封孔涂层的孔隙率的1/40-9/250，电化学腐蚀电位较未封孔涂层提高65.2%-65.8%，腐蚀电流密度降低为未封孔涂层的1/370-1/500。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂，属于材料腐蚀与防护技术领域。主要用于等离子喷涂层的封孔处理，可应用于金属结构的长效防腐环境。
背景技术
有机封孔剂由主剂和溶剂组成，主剂一般选用乙烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、有机硅树脂等，溶剂一般选用醇类、芳香族碳氢化合物、酯类等。有机封孔剂一般具有挥发性和可燃性，封孔操作时必须注意。有机封孔剂有常温硬化型和加热硬化型两类，根据不同零件的封孔要求及形状特点，需要采用不同类型的封孔剂，例如，从涂层封孔的均匀性考虑，采用加热硬化型封孔剂较好，而从大型制品施工时的易操作性考虑，采用常温硬化型封孔剂较好（江志强，席守谋，李华伦．等离子喷涂陶瓷涂层封孔处理的现状与展望[J] ．兵器材料科学与工程，1999，22（3）：56-60．于惠博，孙宏飞，武彬，等．降低涂层孔隙率的研究进展[J]．材料导报，2007,21（1）：68-71．刘美淋，孙宏飞，于慧博，等．降低热喷涂涂层孔隙率的方法[J]．腐蚀与防护，2007,28（4）:171-173．）。薄相峰等制备了以酚醛树脂为基料的封孔剂，用于铝涂层封孔处理，并通过孔隙率正交试验研究发现，封孔后孔隙率由原来的15.4%降至0.96%左右，降幅较大，显著改善了涂层的耐蚀性（薄相峰，侯顺利，张效林，等．造纸设备防腐涂层封孔剂的研究[J]．西南造纸，2005,34（4）：26-27．）。有机封孔剂具有封闭效果好、韧性好、强度高、耐腐蚀性好等优点，且多数有机封孔剂无需再加工配制或配制方法简单，适用于低温状态下水体或空气中服役器件的腐蚀防护。有机封孔剂较无机封孔剂封孔后涂层的耐蚀性好，且不同的有机封孔剂封孔后涂层的耐蚀性也会有较大差别，一般认为封孔剂封孔效果为：有机硅溶液＞环氧树脂＞苯酚树脂。但是有机封孔剂的耐热性较差，且对环境污染较严重，限制了其应用范围。
常用的无机封孔剂包括碱金属、偏磷酸铝盐等。可选用的填料包括云母粉、氟硅酸钠、纳米粉体等物质。阎瑞等制备了用于耐高温合金涂层封孔处理的水性无机硅酸盐封孔剂，对封孔前后涂层的性能测试表明，涂层的耐酸、碱、盐性能良好，耐高温腐蚀性能明显改善，可使涂层的使用寿命延长1倍，满足工业应用需要（阎瑞，马世宁，吴行．耐高温涂层封孔剂的制备研究[J]．中国表面工程，2003（1）：13-16．）。无机封孔剂渗透性好，偏磷酸铝封孔剂能够渗入涂层达几百个微米，而且无机封孔剂能够与某些涂层发生化学反应，生成其它物相。与有机封孔剂相比，无机封孔剂对环境无污染，且耐高温腐蚀，但是其韧性差。
发明内容
针对有机封孔剂对环境污染较严重及无机封孔剂韧性差等问题，本发明的目的在于提供了一种用于提高等离子喷涂涂层耐酸性腐蚀的有机-无机杂化材料封孔剂，利用溶胶-凝胶方法制备出封孔效果良好、耐蚀性强的杂化封孔剂，具有降低涂层孔隙率、低电化学腐蚀电流、高电化学腐蚀电压等特点。
本发明实现上述目的的技术方案如下：
一种用于提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂，其特征在于该杂化材料封孔剂由分析纯的正硅酸乙酯、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、化学纯的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、25vol.%硝酸、25vol.%氨水、蒸馏水试剂，其配比按体积比为：正硅酸乙酯：无水乙醇：蒸馏水：γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷=4: 3: 1: 4~6，N,N-二甲基甲酰胺用量体积为正硅酸乙酯、无水乙醇、蒸馏水和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷试剂用量总体积的20%~30%。其中将25vol.%硝酸调节正硅酸乙酯水解及缩合过程中的pH值为3，用25vol.%氨水将杂化材料封孔剂最终pH值调节为7。
上述杂化材料封孔剂封孔处理的等离子喷涂层的孔隙率降低为未封孔涂层的孔隙率的1/40-9/250，电化学腐蚀电位较未封孔涂层的腐蚀电位提高65.2%-65.8%，腐蚀电流密度降低为未封孔涂层腐蚀电流密度的1/370-1/500。
本发明的杂化材料封孔剂的制备方法是采用现有技术，其制备步骤如下：
1. 取正硅酸乙酯40ml，无水乙醇30ml，混合后在85-1型磁力搅拌器上搅拌15-20min；
2. 向上述混合液中滴加25vol.%硝酸调节pH值到3，继续搅拌15-20min；
3. 再向步骤2的混合液中加入10ml的蒸馏水，搅拌20-25min后加入40~60ml的γ-甲基丙烯
酰氧基丙基三甲氧基硅烷，搅拌30-35min；
4. 加入步骤3的混合液体积总量的20%~30%的N,N-二甲基甲酰胺，搅拌30-35min，然后向
混合液中滴加25vol.%氨水，调节pH值到7，搅拌20-25min后，停止搅拌，静置陈化。
本发明杂化材料封孔剂的有益效果：合理设计各组分的配比，采用现有溶胶-凝胶技术可制备出封孔效果良好、耐酸性腐蚀性强的杂化材料封孔剂，使用该杂化材料封孔剂封孔处理的等离子喷涂层的孔隙率降低为未封孔涂层的孔隙率的1/40-9/250，电化学腐蚀电位较未封孔涂层的腐蚀电位提高65.2%-65.8%，腐蚀电流密度降低为未封孔涂层腐蚀电流密度的1/370-1/500。
附图说明
附图1：实施例3封孔处理后等离子喷涂层的表面形貌图，其中（a）是SEM500X，（b）是SEM5000X。
附图2：等离子喷涂层在酸性溶液中浸泡1700h后的表面腐蚀形貌图，（a）是未封孔等离子喷涂层的表面腐蚀形貌图（SEM500X），（b）是实施例3封孔处理后等离子喷涂层的表面腐蚀形貌图（SEM500X）。
附图3：实施例3封孔处理后等离子喷涂层和未封孔等离子喷涂层的电化学腐蚀试验的塔菲尔曲线图
具体实施方式
本发明通过如下具体实施方式来实现：
实施例1：提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂
一种用于提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂，其特征在于该杂化材料封孔剂由分析纯的正硅酸乙酯、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、化学纯的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、25vol.%硝酸、25vol.%氨水、蒸馏水试剂，其配比按体积比为：正硅酸乙酯：无水乙醇：蒸馏水：γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷=4: 3: 1: 6，N,N-二甲基甲酰胺用量体积为正硅酸乙酯、无水乙醇、蒸馏水和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷试剂用量总体积的30%。其中将25vol.%硝酸调节正硅酸乙酯水解及缩合过程中的pH值为3，用25vol.%氨水将杂化材料封孔剂最终pH值调节为7。
上述杂化材料封孔剂的制备步骤如下：
1. 取正硅酸乙酯40ml，无水乙醇30ml，混合后在85-1型磁力搅拌器上搅拌15-20min；
2. 向上述混合液中滴加25vol.%硝酸调节pH值到3，继续搅拌15-20min；
3. 再向步骤2的混合液中加入10ml的蒸馏水，搅拌20-25min后加入60ml的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，搅拌30-35min；
4. 加入步骤3的混合液体积总量的30%的N,N-二甲基甲酰胺，搅拌30-35min，然后向混合液中滴加25vol.%氨水，调节pH值到7，搅拌20-25min后，停止搅拌，静置陈化。
实施例2：提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂
一种用于提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂，其特征在于该杂化材料封孔剂由分析纯的正硅酸乙酯、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、化学纯的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、25vol.%硝酸、25vol.%氨水、蒸馏水试剂，其配比按体积比为：正硅酸乙酯：无水乙醇：蒸馏水：γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷=4: 3: 1: 4，N,N-二甲基甲酰胺用量体积为正硅酸乙酯、无水乙醇、蒸馏水和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷试剂用量总体积的20%。其中将25vol.%硝酸调节正硅酸乙酯水解及缩合过程中的pH值为3，用25vol.%氨水将杂化材料封孔剂最终pH值调节为7。
上述杂化材料封孔剂的制备步骤如下：
1. 取正硅酸乙酯40ml，无水乙醇30ml，混合后在85-1型磁力搅拌器上搅拌15-20min；
2. 向上述混合液中滴加25vol.%硝酸调节pH值到3，继续搅拌15-20min；
3. 再向步骤2的混合液中加入10ml的蒸馏水，搅拌20-25min后加入40ml的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，搅拌30-35min；
4. 加入步骤3的混合液体积总量的20%的N,N-二甲基甲酰胺，搅拌30-35min，然后向混合液中滴加25vol.%氨水，调节pH值到7，搅拌20-25min后，停止搅拌，静置陈化。
实施例3：等离子喷涂层的封孔处理
将实施例1制备的杂化材料封孔剂静置陈化1h后，进行封孔处理。将等离子喷涂试样放入封孔剂中，浸泡20-30min后，取出在空气中干燥，然后在烘箱中用100℃烘烤，封孔剂完全干燥，从烘箱中取出试样，在空气中冷却至室温，用1200#的砂纸对涂层表面的树脂进行磨制，然后再进入配制的杂化封孔剂中进行浸泡，步骤如上，最后将封孔处理后的涂层用1200砂纸磨掉涂层表面的多余树脂，待用；
实施例3封孔处理后的等离子喷涂层表面形貌如图1所示。可以看出：用配制的封孔剂对等离子喷涂涂层进行封孔处理后，封孔剂在涂层表面形成均一连续的膜层，将涂层的孔隙和裂纹进行了很好的填充，且膜层的延展性能很好，没有出现裂纹和孔隙。
实施例4：将实施例3制得的封孔处理后的等离子喷涂层试样及未封孔等离子喷涂层试样分别放入5vol.%盐酸溶液中进行浸泡腐蚀试验
将实施例3中封孔处理后等离子喷涂涂层试样和未封孔涂层试样的非涂层面用环氧树脂进行遮蔽处理，待环氧树脂固化后，将试样浸入5%盐酸溶液中，进行浸泡腐蚀。
图2为实施例3封孔处理后等离子喷涂涂层和未封孔涂层在5%盐酸溶液中，浸泡1700h后的表面腐蚀形貌图。从图中可知：未封孔涂层浸泡1700h后涂层产生了贯穿性裂纹，而经过封孔处理后的涂层没有产生裂纹和鼓起，表面仅产生了少量的腐蚀产物，涂层的耐酸性腐蚀明显得到提高。
实施例5：实施例3制得的封孔处理后等离子喷涂层试样和未封孔等离子喷涂层试样的电化学腐蚀试验
利用PARSTAT 2273 Advanced Electrochemical System 型电化学工作站对实施例3中封孔处理的等离子喷涂涂层进行电化学腐蚀试验，采用标准的三电极系统，其中是实例3制备的试样为工作电极、饱和氯化钾/甘汞电极为参比电极、铂电极为辅助电极。选择体积浓度为5%的盐酸溶液为电解质溶液。制备电化学腐蚀试样时，将试样基体与铜导线连接，其他非测试面及与基体相连的裸露导线用704有机硅橡胶密封。测试试样的Tafel曲线，扫描速度设为5mV/s。腐蚀前试样在5vol.%盐酸溶液中浸泡30min，使待测涂层达到稳定状态，以获得稳定的极化曲线。
实施例3中封孔处理后等离子喷涂涂层和未封孔涂层的Tafel极化曲线如图3所示。由图中可知，未封孔涂层的腐蚀电流密度为5.16×10-5A/cm2，腐蚀电位为-587V，封孔处理后涂层的腐蚀电流密度为1.07×10-7A/cm2，为未封孔涂层腐蚀电流密度的1/500，腐蚀电压为-201V，比未封孔涂层的腐蚀电位提高了65.8%。
Claims (2)
1.一种用于提高酸性环境下等离子喷涂层耐蚀性的杂化材料封孔剂，其特征在于该杂化材料封孔剂由分析纯的正硅酸乙酯、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、化学纯的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、25vol.%硝酸、25vol.%氨水、蒸馏水试剂，其配比按体积比为：正硅酸乙酯：无水乙醇：蒸馏水：γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷=4: 3: 1: 4~6，N,N-二甲基甲酰胺用量体积为正硅酸乙酯、无水乙醇、蒸馏水和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷试剂用量总体积的20%~30%，
其中将25vol.%硝酸调节正硅酸乙酯水解及缩合过程中的pH值为3，用25vol.%氨水将杂化材料封孔剂最终pH值调节为7。
2.根据权利要求1所述的杂化材料封孔剂，其特征在于使用该杂化材料封孔剂封孔处理的等离子喷涂层的孔隙率降低为未封孔涂层的孔隙率的1/40-9/250，电化学腐蚀电位较未封孔涂层提高65.2%-65.8%，腐蚀电流密度降低为未封孔涂层的1/370-1/500。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130703 |