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水性聚苯胺乳液复合防腐蚀涂层材料研究

作　者: 曾照坡
导　师: 李玉峰
学　校: 齐齐哈尔大学
专　业: 高分子化学与物理
关键词: 聚苯胺乳液环氧树脂乳液氟碳乳液防腐蚀水性涂层材料
分类号: TQ630.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

暴露在酸性环境和海水环境中的金属非常容易腐蚀，防腐蚀问题亟待解决。近年来，涂层仍是最常用的防腐蚀方法之一，而环保型水性涂料将是未来的发展方向。本论文研究了乳液聚合法制备掺杂态聚苯胺及其水性聚苯胺/环氧树脂乳液复合涂层、水性聚苯胺/氟碳乳液复合涂层对Q235低碳钢(A3钢)在模拟海水环境下的腐蚀防护性能。首先以苯胺(An)为单体、过硫酸铵(APS)为引发剂、十二烷基苯磺酸(DBSA)为乳化剂和掺杂剂，采用乳液聚合的方法制备了可以直接使用的水性聚苯胺乳液，并通过透射电子显微镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(Tg)、四探针电导率、激光粒度分析对乳液及其乳胶粒子进行了表征及测试。结果表明，制备出的聚苯胺乳液综合性能较好。聚苯胺乳胶粒子分布均匀，粒径约250nm；红外光谱测试表明聚苯胺是以掺杂态形式存在的；XRD测试表明合成的聚苯胺含有晶区和非晶区两部分结构，聚苯胺乳胶粒子具有良好的分散性能；聚苯胺的热分解温度为273℃；掺杂的聚苯胺具有良好的导电性，电导率为6.67S/cm。其次选取水性环氧树脂乳液(EP)为成膜物质，与制得的水性聚苯胺乳液按一定比例共混，再加入水性环氧固化剂(HGF)，制备了水性聚苯胺/水性环氧树脂复合乳液防腐蚀涂层材料，采用电化学方法考察了复合涂层在3.5%NaCl溶液中对A3钢的防腐蚀性能。电化学交流阻抗谱(EIS)、塔菲尔(Tafel)曲线和平衡开路电位(OCP)的测试结果表明，添加聚苯胺乳液后的复合涂层的腐蚀电流密度降低、交流阻抗和腐蚀电位相比纯环氧树脂涂层得到大幅度的提高，涂层表现出较好的防腐蚀性能。以DBSA作为乳化剂和掺杂剂且用量为1%、苯胺单体用量为0.6%、氧化剂过硫酸铵(APS)和苯胺(Ani)单体摩尔质量比为1:1，制得的复合涂层防腐性能最好；使用EP-20型水性环氧乳液为成膜物，聚苯胺乳液添加量为50%时，采用直接添加聚苯胺乳液、共混复合方式制得的复合涂层在酸性介质中具有较好的防腐蚀效果，复合涂层的腐蚀电流密度为1.0×10-7(A/cm2)，开路电压值提高了100(mV)，交流阻抗值为1.0×104(·cm2)。通过对比测试前后的金属基材的SEM电镜照片可以发现，3.5%NaCl溶液中浸泡过的纯环氧树脂覆盖下金属基体表面出现大量的点蚀孔，而聚苯胺/环氧树脂复合乳液涂层覆盖下试样表面相对纯环氧树脂表面比较平整，未见明显腐蚀迹象，即添加聚苯胺乳液后的复合涂层防腐性能优良。进而选取氟碳(FC)乳液为成膜物，与聚苯胺乳液共混制备水性聚苯胺/氟碳乳液复合防腐蚀涂层材料，采用电化学方法考察了复合涂层在3.5%NaCl溶液中对A3钢的防腐蚀性能。电化学交流阻抗谱(EIS)、塔菲尔(Tafel)曲线和平衡开路电位(OCP)的测试结果表明，PANI/FC复合涂层交流阻抗值为18000(·cm2)，腐蚀电流密度为1.0×10-7.5(A/cm2)，平衡开路电位值为-0.40(V)，证明在含氟丙烯酸酯乳液中添加聚苯胺乳液后制得复合涂层对A3钢相比纯氟碳乳液涂层具有更好的防腐能力。扫描电镜结果表明聚苯胺/氟碳复合乳液涂层相比纯氟碳乳液涂层对A3钢具有更优异的防护性能；EDS结果表明聚苯胺/氟碳复合乳液涂层在钢片表面形成了致密的氧化层，该氧化层有效的阻挡了水分子、O2分子对膜下金属的侵蚀，从而表现出良好的防腐效果。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
1 绪论  13-32
  1.1 研究的意义  13-14
  1.2 聚苯胺简介  14-20
    1.2.1 聚苯胺的结构与性能  14-15
    1.2.2 聚苯胺的合成方法及反应机理  15-18
    1.2.3 聚苯胺的掺杂及导电机理  18-19
    1.2.4 聚苯胺的应用  19-20
  1.3 聚苯胺的乳液聚合  20-23
    1.3.1 聚苯胺的微乳液聚合  21-22
    1.3.2 聚苯胺的种子乳液聚合  22
    1.3.3 聚苯胺的核壳乳液聚合  22
    1.3.4 聚苯胺的无皂乳液聚合  22-23
  1.4 聚苯胺复合材料  23-24
    1.4.1 聚苯胺/无机复合材料  23
    1.4.2 聚苯胺/有机复合材料  23-24
  1.5 聚苯胺复合防腐蚀涂层材料  24-31
    1.5.1 金属的腐蚀与防护  24-27
    1.5.2 聚苯胺防腐涂料  27-28
    1.5.3 聚苯胺防腐涂料的制备方法  28-29
    1.5.4 聚苯胺防腐涂料防腐机理的研究  29-31
  1.6 本文研究内容  31-32
2 水性聚苯胺/环氧树脂乳液复合防腐蚀涂层材料研究  32-64
  2.1 引言  32
  2.2 实验部分  32-36
    2.2.1 实验原料  32-33
    2.2.2 实验仪器  33-34
    2.2.3 水性聚苯胺乳液的制备  34
    2.2.4 水性聚苯胺乳液/环氧树脂乳液复合防腐蚀涂层材料的制备  34
    2.2.5 聚苯胺的表征  34-35
    2.2.6 涂层的电化学防腐蚀性能测试及评价  35-36
  2.3 结果与讨论  36-62
    2.3.1 聚苯胺聚合工艺的确定  36-37
    2.3.2 粒径的表征  37
    2.3.3 电导率的测定  37-38
    2.3.4 热稳定性分析  38
    2.3.5 XRD 分析  38-39
    2.3.6 红外光谱分析  39-40
    2.3.7 透射电镜(TEM)分析  40-41
    2.3.8 A3 钢的基本性能  41
    2.3.9 水性环氧树脂(EP)的基本性能  41-44
    2.3.10 聚苯胺乳液/水性环氧树脂乳液(PANI/EP)复合涂层防腐性能  44-46
    2.3.11 乳化剂种类对复合涂层性能的影响  46-48
    2.3.12 DBSA 用量对复合涂层性能的影响  48-49
    2.3.13 苯胺单体用量对复合涂层性能的影响  49-50
    2.3.14 氧化剂用量对复合涂层性能的影响  50-51
    2.3.15 环氧乳液种类的不同对复合涂层性能的影响  51-52
    2.3.16 聚苯胺乳液的添加量对复合涂层性能的影响  52-53
    2.3.17 添加方式对复合涂层性能的影响  53-55
    2.3.18 涂覆方式对复合涂层性能的影响  55-56
    2.3.19 腐蚀介质对复合涂层性能的影响  56-57
    2.3.20 涂层厚度对复合涂层性能的影响  57-58
    2.3.21 浸泡时间对复合涂层性能的影响  58-60
    2.3.22 SEM 分析  60-61
    2.3.23 浸渍耐腐蚀试验  61-62
  2.4 小结  62-64
3 水性聚苯胺/氟碳乳液复合防腐蚀涂层材料研究  64-80
  3.1 引言  64
  3.2 试验部分  64-66
    3.2.1 试验原料  64-65
    3.2.2 实验仪器  65
    3.2.3 水性氟碳(FC)乳液的制备  65-66
    3.2.4 PANI/FC 复合涂层的制备  66
  3.3 结果与讨论  66-79
    3.3.1 水性氟碳涂层的防腐性能  66-67
    3.3.2 水性聚苯胺乳液/水性氟碳乳液复合涂层的防腐性能  67-69
    3.3.3 氟碳乳液的添加量对复合涂层性能的影响  69-70
    3.3.4 添加方式对复合涂层性能的影响  70-72
    3.3.5 涂覆方式的不同对复合涂层性能的影响  72-73
    3.3.6 腐蚀介质对复合涂层性能的影响  73-74
    3.3.7 涂层厚度对复合涂层性能的影响  74-75
    3.3.8 浸泡时间对复合涂层性能的影响  75-76
    3.3.9 SEM 电镜分析  76-77
    3.3.10 EDS 能谱分析  77-78
    3.3.11 浸渍耐腐蚀试验  78-79
  3.4 小结  79-80
结论  80-81
参考文献  81-88
攻读硕士学位期间发表学术论文情况及参与项目和所获奖励  88-89
致谢  89-90

水性聚苯胺乳液复合防腐蚀涂层材料研究

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