新型无氟环保耐腐蚀超疏水涂层的制备、性能及应用研究

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21世纪以来,金属材料仍将是人类社会发展中重要的结构材料与功能材料。然而若其长时间暴露于腐蚀性介质中,会受到严重的腐蚀。近年来,受“莲花效应”的启发,仿生超疏水表面在金属防腐蚀、自清洁、油水分离等应用领域备受关注。由于腐蚀是在水性介质与基材之间的界面上引发的,因此超疏水表面可有效抵抗腐蚀,延长使用寿命。在油水分离方面,许多超疏水材料成本高,制备过程繁琐,或使用含氟等有危害物质造成二次污染。因此,本研究从低成本、环保、易于制备与应用的角度出发,制备了无氟环保且耐腐性高的超疏水材料。本文采用低成本,制备条件易于控制的电沉积方法,在金属基材表面制备了具有微纳米粗糙结构的高粘附性、均匀、致密的金属合金涂层,随后利用无氟环保的低表面能物质进行表面修饰,获得相应的超疏水表面。对所制备的超疏水涂层进行了结构表征和耐腐蚀性等性能测试,并研究了超疏水表面的形成机理。同时,对超疏水涂层在油水分离方面的应用进行了研究。主要研究内容如下:(1)以锌盐和铁盐为基础原料,在碱性无氰的甘油电解浴中通过恒电位极化电沉积在碳钢表面获得Zn–Fe合金涂层,经低表面能十四酸表面修饰后获得水接触角(WCA)达166°的超疏水表面。所制备的超疏水涂层具有自清洁、防污、抗冲击、高附着力和良好的耐腐蚀性。电化学测试中,试样的腐蚀电流(icorr)和腐蚀速率(CR)由裸钢的1.66×10–4 A?cm–2和1.95mm?a–1分别降低到2.65×10–6 A?cm–2和0.02 mm?a–1,表现出良好的耐腐蚀性。计算了超疏水涂层的界面自由能,探讨了超疏水涂层的形成机理。(2)将超疏水Zn–Fe合金涂层应用于泡沫铁表面,制备了无氟、机械稳定、耐久性和高油水分离效率的超疏水泡沫铁(WCA:158°)。电化学测试中,具有耐腐蚀性的超疏水泡沫铁的icorr和CR由原始泡沫铁的1.27×10–3 A?cm–2和14.95 mm?a–1分别降低到1.01×10–4 A?cm–2和1.18 mm?a–1。在油水分离测试中,所制备的超疏水泡沫铁油水分离效率高达99.3%,同时,研究了超疏水泡沫铁的形成机理。此外,设计了一种可用于连续性油水分离的装置。(3)为了进一步提高超疏水泡沫铁的耐腐蚀性,在泡沫铁表面制备了Zn–Fe–Co–Ni–Mn高熵合金涂层,经超疏水处理后用于油水分离。电化学测试表明,所制备的超疏水高熵合金涂层相对于超疏水Zn–Fe合金涂层,具有更低的腐蚀电流和腐蚀速率(icorr:2.28×10–5 A?cm–2,CR:0.27 mm?a–1),表现出优异的耐腐蚀性。同时,研究了超疏水高熵合金涂层的自清洁、润湿性、油水分离效率等性能,探讨了超疏水高熵合金涂层的形成机理。
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