聚丙烯腈纳米纤维与环氧树脂复合涂层防腐性能的研究

2020-01-17袁帅金祖权赵霞

中国建材科技 2020年1期

袁帅金祖权赵霞

（1青岛理工大学，山东青岛 200120；2中国科学院海洋研究所，山东青岛 201306）

0 引言

静电纺丝制备的核壳结构的中空纤维作为一种工艺简单、成本低廉的增韧材料被广泛应用[1-2]，该纤维的直径、壁厚和表面形态可以控制[3]，作为储存修复剂的载体具有极大的优势。核壳纤维包覆修复剂技术是基于中空玻璃纤维修复剂技术发展起来的[4]，该技术通过同轴电纺法以聚合物纤维为壳、以各类修复剂为核作为一个整体同时制备出来，解决了修复剂难以被包覆在玻璃纤维空芯中的难题。由于电纺纤维膜的结构更加致密均匀，嵌入纤维的涂层防腐性能更加优异，因此静电纺丝在防腐方面的应用越来越广泛。本研究利用静电纺丝法制备PAN包覆BTA的复合纳米纤维膜，再涂覆环氧树脂来制备复合涂层。聚丙烯腈大分子含有强极性基团，与基体树脂间存在良好的匹配性，易于与基体树脂混合和粘合，这就为同时提高有机树脂的力学性能和自修复功能提供了全新思路。

1 实验部分

1.1 实验材料

环氧树脂，低分子聚酰胺：镇江丹宝树脂有限公司；聚丙烯腈：上海麦克林生化有限公司；苯并三氮唑、N，N-二甲基甲酰胺：分析纯，北京国药试剂厂；Q235碳钢：市售。

1.2 样品制备

1.2.1 PAN纳米纤维膜的制备

配制PAN纺丝液，室温下搅拌24h后溶液呈均匀状态。调节纺丝电压为20kV，接收距离：15cm，将溶液进行静电纺丝。

1.2.2 电纺纤维/环氧树脂复合涂层的制备

使用Q235碳钢作为电极放置于接收器上，调节纺丝参数，控制纺丝时间大约为30min，得到表面覆盖纤维膜的电极。然后将配置好的环氧溶液利用玻璃棒均匀涂覆在具有纤维膜的电极表面，另外制备一个对比电极。在碳钢电极上只涂覆纯环氧树脂，记为EP作为对照组；第二个电极为实验组，用加入缓蚀剂BTA的电纺溶液进行纺丝，后涂覆环氧树脂，记为PAN-NFs/BTA/EP。将两个涂覆涂层的电极在室温下固化24h之后，再放入温度为60℃的烘箱中固化6h。

1.2.3 性能与表征

利用P4000+电化学工作站，对两个不同的电极分别进行周期为5天的电化学测试。电化学测试系统为传统的三电极系统，其中制备好的样品为工作电极，参比电极为银-氯化银电极，对电极为石墨电极。测试频率为10-2～105Hz，幅值为10mV。电解质溶液为3.5%NaCl溶液，在常温下进行测试。固化完成的涂层电极试样用针头将其表面划伤，破坏面积为针孔大小，使划痕深度达到涂层与金属底材的界面，确保露出金属基体。然后浸泡在3.5%NaCl溶液中，水浴温度控制在室温，观察腐蚀后形貌。

2 结果与讨论

2.1 不同电极的EIS测试分析

将两个不同电极分别浸泡在浓度为3.5%的NaCl溶液中，水浴温度控制在室温，进行电化学测试。

纯环氧电极在腐蚀0天的时候阻抗较大，腐蚀1天后容抗弧半径发生明显减小，随着浸泡时间增加，容抗弧半径越来越小，说明腐蚀介质在浸泡一天后就已经渗透到金属表面并不断腐蚀金属，阻抗模值越来越小；而PANNFs/BTA/EP电极，容抗弧半径比EP样品相差约2个数量级，防腐性能最好，在浸泡同等天数时阻抗值最大，并且有一定的自修复性能。因此外层的环氧树脂涂层提高了样品的耐腐蚀性，同时保护了纳米纤维膜，使其不易从金属表面剥离，而纳米纤维膜又为缓蚀剂的保存提供了强有力的空间。在人为破坏涂层后，腐蚀现象开始发生，缓蚀剂从纤维管中释放出来，与碳钢表面中的铁离子结合，生成一层均匀的钝化膜来保护底层金属，使金属表面不再容易被腐蚀，综合作用最好。

2.2 盐雾试验测试分析

将两个不同电极于同一时间放入盐雾箱中进行168h的盐雾试验，盐雾箱的温度控制在35℃，NaCl溶液浓度为5%，pH值在6.5～7.2，盐雾压力在0.1～0.15MPa，样品放置角度为45°。

经过盐雾试验后发现，环氧树脂涂层已经完全剥离，基体金属已然被彻底腐蚀。由于环氧树脂本身属于脆性材料，对基体的保护性能很弱，因此当裂纹产生时，腐蚀离子会在极短时间内穿透环氧涂层达到基体表面，防腐性能较差。而PAN-NFs/BTA/EP试样与纯环氧涂层试样相比，涂层破坏程度低，并未发生剥离现象。从宏观角度看，该试样表面具有高均匀性和光滑度，只有表面在破坏处稍稍有些突起，表面有一些深绿色腐蚀，但未触及基体表面，腐蚀面积最小。复合涂层对整体而言腐蚀程度低，对基体保护性能最优。实验结果说明带有缓蚀剂的纳米纤维膜涂覆环氧树脂，有着很好的耐腐蚀性。