CN113026071B - 一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法及应用 - Google Patents
一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法及应用,制备方法包括如下步骤:将导电聚合物单体与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵分散于水中得到混合溶液;于所述混合溶液中添加辅助质子酸,获得电聚合电解液;将不锈钢置于所述电聚合电解液中并通入电流,在不锈钢基体表面一步法形成导电聚合物及表面活性剂复合防腐蚀涂层。本发明提供的制备方法避免了传统涂层复杂的涂覆程序,可实现涂层在基材表面大面积地迅速、直接沉积,使涂层具有更好的隔离性质。同时,本发明的复合涂层由于十六烷基三甲基溴化铵的存在对不锈钢具有缓释作用,提高了不锈钢材料在酸性环境中的耐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及导电性防腐蚀涂层,具体涉及一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法及应用,属于金属的腐蚀防护领域。
背景技术
自1985年DeBerry发现经过质子酸的掺杂,电化法学合成的导电聚苯胺涂层能使不锈钢表面钝化而增强不锈钢的腐蚀防护作用以来,人们对导电聚合物涂层进行了大量研究,其防腐蚀性能与机制一直备受关注。聚吡咯(PPY)是一种重要的导电聚合物,相对于聚苯胺具有电导率高、性能稳定、生产成本低等优点,且PPY优异的耐蚀性能使其在防腐涂层领域具有非常广阔的应用前景。在腐蚀性环境中,PPY涂层不仅对腐蚀环境具有屏障作用,经由合适物质掺杂后,还可由绝缘性基态向导电态转变,而掺杂的导电态PPY可发挥阳极保护作用于被保护金属表面形成钝化层,增加涂层的防腐蚀效率。然而质子酸掺杂PPY涂层通常存在结构缺陷,如吡咯颗粒之间存在微缝隙、涂层附着力不够理想等,涂层在腐蚀性环境下长期服役时,腐蚀介质不可避免地会渗透至金属表面,对金属基底造成腐蚀和破坏,涂层长期服役时的稳定性有待提高。因此,在不削弱PPY涂层物化性质的前提下减少其结构缺陷并提高涂层与被保护金属之间的结合力是目前解决涂层防腐蚀稳定性不理想这一问题时亟待解决的关键技术。
十六烷基三甲基溴化铵是一种阳离子表面活性剂,也是一种吸附型物质,可作为缓蚀剂应用于不锈钢、铜等金属腐蚀防护。研究表明,在电化学腐蚀所形成的腐蚀电解池中,十六烷基三甲基溴化铵可在电极表面形成连续的、具有屏蔽作用的吸附层,进而将环境中的溶剂分子与电极表面隔离开来,降低电极的阳极溶解过程(Li W,Ren B,Chen Y,etal.Excellent Efficacy of MOF Films for Bronze Artwork Conservation:The KeyRole of HKUST-1Film Nanocontainers in Selectively Positioning and ProtectingInhibitors[J].ACS Appl.Mater.Inter.,2018,10(43):37529-37534),因此,十六烷基三甲基溴化铵表面活性剂作为缓蚀材料在金属防腐蚀领域具有良好的应用前景。本发明中涉及的导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,通过PPY与十六烷基三甲基溴化铵的复合,可解决涂层服役稳定性不理想的问题。
发明内容
本发明的目的在于将具有吸附性能的阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵与PPY材料进行复合,直接通过电化学方法合成缺陷少、防腐蚀性能优异的多功能导电性复合涂层。
为了实现上述目的,本发明提供以下技术方案:
一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其具体步骤如下:
步骤1:导电聚合物单体与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵分散于水中获得混合溶液;
步骤2:选择合适的辅助质子酸添加至所述混合溶液中制备电聚合电解液,促进导电聚合物的电聚合;
步骤3:将不锈钢基体置于电聚合电解液中,设定合适的电流条件通过恒电流法在其表面电聚合复合涂层。
进一步地,所述的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其特征在于:所述的电沉积所使用质子酸,更具体的质子酸为硫酸、磷酸或草酸,浓度为0.2~0.6mol/L。
进一步地,所述的电沉积需使用合成电解液,更具体的吡咯单体浓度为0.1~0.4mol/L,十六烷基三甲基溴化铵浓度为0.15~0.3mol/L。
进一步地,磁力搅拌时间为15~30min,搅拌速率为800rmp/min,继续进行超声处理的时间为10~30min。
进一步地,恒电流电沉积过程中,更具体的电流密度为1~3mA/cm2,电沉积时间为10~30min。
进一步地,恒电流电沉积过程中,工作电极更具体为需要防腐蚀处理的不锈钢基材,所述表面为任意形状的表面。
进一步地,于不锈钢板材表面电沉积涂层之前对不锈钢进行以下处理:依次用240、800、1200目SiC砂纸打磨其表面,随后依次用去离子水、丙酮、乙醇清洗除油,最后干燥。
进一步地,所述三电极体系,其中参比电极为饱和甘汞电极,对电极是铂片电极,工作电极为需要防腐蚀处理的不锈钢基材。
进一步地,电聚合的复合涂层干燥温度为30℃,干燥时间为3~5h。
进一步地,本发明一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的应用是指酸性腐蚀环境中对不锈钢防腐蚀的应用。
进一步地,具体的酸性腐蚀环境为0.1~0.6mol/L硫酸溶液模拟的环境。
经过本发明提供的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,可以在不添加辅料的基础上于不锈钢基底快速制得导电性聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层。本发明通过严格控制质子酸、吡咯单体和十六烷基三甲基溴化铵浓度和电沉积条件,将表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵有效插入PPY的主链中。
本发明的有益效果在于:优化了PPY涂层结构,通过表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的介入,解决了聚吡咯涂层致密性差的问题,有效地填充了聚吡咯涂层的缺陷。此外,由于与吸附型表面活性剂的结合,涂层的附着力也得到了提高。同时,经过本发明的方法得到的防腐蚀涂层在服役过程中十六烷基三甲基溴化铵可发挥缓蚀作用,强化金属表面致密的氧化钝化膜的形成,阳极保护效果优于普通质子酸掺杂的聚吡咯涂层,进一步提高PPY涂层的防腐蚀效果。提高了不锈钢材料在酸性环境中的耐蚀性。本发明技术路线合理,涂层制备过程便捷环保,产物性能优异,在服役于酸性环境中的不锈钢材料的腐蚀防护方面具有良好的前景。
附图说明
图1是实施例1中在恒电流电沉积制备的硫酸存在下所获得的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层形貌;
图2是对比例1中在恒电流电沉积制备的硫酸掺杂下所获得的聚吡咯涂层形貌;
图3是实施例2所获得的硫酸存在下聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层在酸性环境(0.1mol/L H2SO4)中服役时的Nyquist图随服役时间的变化趋势。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1:
在304不锈钢表面制备硫酸存在下聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层,聚合电解液组成为0.4mol/L吡咯单体、0.5mol/L硫酸与0.15mol/L十六烷基三甲基溴化铵。混合溶液在搅拌速率为800rmp/min的磁力搅拌器中搅拌30min,随后超声10min,最终得到混合均匀的合成电解液。
室温条件下采用三电极体系于上述合成电解液中通过恒电流法电沉积制备复合涂层。其中电流密度为1mA/cm2,沉积时间为20min,电沉积后的复合涂层用去离子水清洗,于30℃下干燥5小时,最终得到黑色的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层聚吡咯涂层。
附图1为本实施例所获得的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层形貌。由附图1可见聚吡咯颗粒之间的几乎无微缝隙,涂层结构致密,缺陷少,与对比例1相比,本实例获得的涂层表面均匀性得到了显著提高,表明使用本申请的杂聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法能够制得具有更好物理屏障性能的防腐蚀涂层,阻挡腐蚀性离子的向内扩散。
附图3为本实施例所获得的硫酸存在下聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层在在酸性(0.1mol/L H2SO4)环境中长期浸泡过程中的Nyquist图变化,由于涂层具有良好的导电性能,Nyquist曲线中的低频区域存在一定的扩散。使用合适的拟合电路对Nyquist曲线进行拟合,由附图3可见涂层在长期服役过程中涂层电阻持续增加,660h之后仍能维持较好的防腐蚀效果。表明使用本申请发明的导电聚合物/十六烷基三甲基溴化铵复合防腐蚀涂层抑制了腐蚀性离子对不锈钢基材的侵蚀,且复合涂层能够有效钝化基底不锈钢,对不锈钢基底可提供稳定的腐蚀防护作用。
对比例1:
与实施例1不同之处在于:
在304不锈钢表面制备硫酸掺杂的聚吡咯涂层,电聚合电解液中无十六烷基三甲基溴化铵成分,由0.4mol/L吡咯单体与0.5mol/L硫酸溶液组成;
其它与具体实施例1相同,最终得到黑色的硫酸掺杂的聚吡咯涂层。
附图2为对比例1中获得的涂层形貌。由附图2可见所制备涂层有一定缺陷,PPY颗粒之间有明显微缝隙,这些结构缺陷可形成腐蚀性离子扩散至不锈钢表面的通道。
实施例2:
在304不锈钢表面制备硫酸存在下聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层,聚合电解液组成为0.1mol/L吡咯单体、0.3mol/L硫酸与0.3mol/L十六烷基三甲基溴化铵。混合溶液在搅拌速率为800rmp/min的磁力搅拌器中搅拌20min,随后超声20min,最终得到混合均匀的合成电解液。
室温条件下采用三电极体系于上述合成电解液中通过恒电流法电沉积制备复合涂层。其中电流密度为2mA/cm2,沉积时间为30min,电沉积后的复合涂层用去离子水清洗,于30℃下干燥5小时,最终得到黑色的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层聚吡咯涂层。
实施例3:
在316不锈钢表面制备硫酸存在下聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层,聚合电解液组成为0.4mol/L吡咯单体、0.2mol/L硫酸与0.3mol/L十六烷基三甲基溴化铵。混合溶液在搅拌速率为800rmp/min的磁力搅拌器中搅拌15min,随后超声30min,最终得到混合均匀的合成电解液。
室温条件下采用三电极体系于上述合成电解液中通过恒电流法电沉积制备复合涂层。其中电流密度为3mA/cm2,沉积时间为10min,电沉积后的复合涂层用去离子水清洗,于30℃下干燥3小时,最终得到黑色的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层聚吡咯涂层。
实施例4:
在304不锈钢表面制备磷酸存在下的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层,聚合电解液组成为0.3mol/L吡咯单体、0.6mol/L磷酸与0.2mol/L十六烷基三甲基溴化铵。混合溶液在搅拌速率为800rmp/min的磁力搅拌器中搅拌20min,随后超声10min,最终得到混合均匀的合成电解液。
室温条件下采用三电极体系于上述合成电解液中通过恒电流法进行电沉积实验。其中电流密度为2mA/cm2,沉积时间为30min,电沉积后的复合涂层用去离子水清洗,于30℃下干燥4小时,最终得到黑色磷酸存在下的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层聚吡咯涂层。
实施例5:
在316不锈钢表面制备草酸存在下的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层,聚合电解液组成为0.2mol/L吡咯单体、0.4mol/L草酸与0.3mol/L十六烷基三甲基溴化铵。混合溶液在搅拌速率为800rmp/min的磁力搅拌器中搅拌15min,随后超声20min,最终得到混合均匀的合成电解液。
室温条件下采用三电极体系于上述合成电解液中通过恒电流法进行电沉积实验。其中电流密度为3mA/cm2,沉积时间为15min,电沉积后的复合涂层用去离子水清洗,于30℃下干燥4小时,最终得到黑色草酸存在下的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层涂层。
综上所述,本发明通过恒电流电聚合的方法,以硫酸、磷酸和草酸为辅助质子酸,制备新型聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层用于不锈钢的防腐蚀。此种复合涂层附着力好,结构致密,微孔缺陷较少,可以有效阻挡腐蚀性离子的向内扩散。同时复合涂层具有一定导电性质,能够发挥PPY的阳极保护作用使不锈钢的腐蚀电位处于钝化区域,且十六烷基三甲基溴化铵作为缓蚀剂通过吸附作用可协助界面处氧化物层的形成。因此本发明中的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层对不锈钢在酸性环境中的防腐作用稳定。本发明提供的技术对金属材料在酸性环境中的腐蚀防护具有重要意义。
在此,还需要说明的是,本发明制备方法中参数的变化并不影响聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备,以上所述仅为本发明的较佳实例而已,并不用以限制本发明,为了避免因不必要的细节而模糊了本发明,在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤,而省略了与本发明关系不大的其他细节。在此不再赘述。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上,然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰,因此,本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容,而应包括各种不背离本发明的替换及修饰,并为本专利申请权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)导电聚合物单体与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵分散于水中获得混合溶液,其中,所述导电聚合物单体为吡咯单体;
(2)选择硫酸、磷酸以及草酸中的一种为辅助质子酸添加至所述混合溶液中制备电聚合电解液,促进导电聚合物的电聚合,其中,电聚合电解液中的质子酸浓度为0.2~0.6 mol/L,吡咯单体浓度为0.1~0.4 mol/L,十六烷基三甲基溴化铵浓度为0.15~0.3 mol/L;
(3)将不锈钢基体置于所述电聚合电解液中,设定合适的电流条件通过恒电流法在其表面电聚合复合涂层,其中,电聚合时施加的电流密度为1~3 mA/cm2。
2.如权利要求1所述的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,将一定量吡咯单体与十六烷基三甲基溴化铵分别加入到一定量水中得到电混合溶液。
3.如权利要求1所述的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,还包括避光磁力搅拌,随后进行超声处理,直至得到均匀的电聚合电解液的处理过程。
4. 如权利要求3所述的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其特征在于:所述磁力搅拌时间为15~30 min,搅拌速率为800 rmp/min,继续进行超声处理的时间为10~30 min。
5.如权利要求1所述的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中,室温条件下采用三电极装置通过施加恒定电流进行电聚合,其中参比电极和对电极分别为饱和甘汞电极和大面积铂片电极,工作电极为经过需要防腐蚀处理的板材不锈钢基底,电解液为步骤(2)中得到的电聚合电解液,电聚合后得到的聚吡咯/十六烷基三甲基溴化铵复合涂层通过去离子水清洗、干燥。
6. 如权利要求5所述的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的制备方法,其特征在于:步骤(3)中使用的恒电流电聚合方法中,电聚合时间为10~30 min,所制备的涂层干燥条件为温度30 ℃,干燥时间为3~5 h。
7.如权利如要求1-6任意一项所述制备方法制备的导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的应用,其特征在于所述涂层对不锈钢在酸性腐蚀环境中的防腐应用。
8. 如权利如要求7所述的一种导电聚合物及十六烷基三甲基溴化铵复合涂层的应用,其特征在于酸性腐蚀环境为0.1~0.6 mol/L的硫酸溶液所模拟。
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