铝合金压铸件导电聚合物涂层的制备及防腐蚀机理研究

2021-01-06王金艳高腾华白小龙

中国金属通报 2020年10期

王金艳，高腾华，白小龙

（陕西省榆林市榆阳区金鸡滩循环经济产业园管委会，陕西榆林 719000）

国民经济的正常运行需要各种金属的投入使用，可是由于金属在绝大部分工作环境下总是或多或少地发生腐蚀反应，导致金属浪费[1]。腐蚀是金属在特定环境下和部分介质发生化学反应而出现的自然现象，会造成金属性质发生改变或恶化。和干旱、地震等自然灾害相同，金属的腐蚀也会对道路、桥梁、管道以及一些公共建筑物体等产生不可逆转的破坏，这不单单会严重威胁到社会安全，同时还会给国家带来巨大的经济损失和生态污染。铝合金压铸件作为富含铝元素的铝合金制品，虽然其和部分轻金属如镁、钛、锰等相比，其密度比较大，然而因为铝合金压铸件具备良好的韧度、导电性等特征，在工业以及能源利用上拥有非常广阔的应用前景[2]。现今为止，我国已研发出诸多种类的铝合金压铸件以满足其在石油化工、建筑等的现实需要。虽然铝合金压铸件相比于传统金属来说，其防腐蚀性能较好，但在氯离子、含酸化合物等腐蚀性液体存在的环境下，铝合金压铸件依然极易发生腐蚀反应，据统计每年大概将近25%的铝合金压铸件会发生腐蚀，严重的话甚至会影响到新材料的研发和利用。铝合金压铸件的腐蚀一般是由电化学腐蚀造成的，换句话说，其在腐蚀环境能够生成以铝合金为阴极的电池运行体系。因为铝合金压铸件在腐蚀环境下，其热力稳定性会出现恶化，所以会生成自由的吉布斯能态，即氧化物形式，同时这也是铝合金压铸件发生腐蚀的根源。

1 铝合金压铸件导电聚合物涂层的制备

1.1 主要材料

有关铝合金压铸件导电聚合物涂层的制备材料中的试剂主要准备如下所示。

表1 实验准备试剂

1.2 基体材料

铝合金压铸件导电聚合物涂层在制备过程中会涉及电化学沉积作用，所以需要铝合金材料为低合金，本实验以通用的铝合金材料加工成10mm3×10mm3×10mm3大小的合金试样为主。低铝合金的基本成分见于表2。

1.3 主要仪器

实验过程中所使用的主要仪器设备如表3 所示。

仪器厂家型号电子分析天平 BS224S 赛多利斯集团超声波清洗器 KQ－100DE 昆山超声仪器有限公司鼓风干燥箱 DHG－9076A 景宏实验设备有限公司磁力搅拌器 85－1A 科尔仪器设备有限公司电化学工作站 CHI660D 辰化仪器有限公司超纯水机 Aut0lab302N 万通中国有限公司离心机 BDP－10TL 权坤生物科技有限公司平板腐蚀测试池 TG16－WS 离心机仪器有限公司扫描电子显微镜 JSM－6510 精艺仪器有限公司透射电子显微镜 JEM－2100 三思设备仪器有限公司原子力显微镜 Dimension3100 克吕士有限公司光学显微镜 AxioImagerM2m 铂金埃尔默有限公司傅里叶红外变换光谱仪 Nexus870 蔡司光学有限公司接触角测量仪 DSA100 尼高力有限公司

1.4 涂层制备

电沉积法制备导电聚合物涂层能够最大限度地使铝合金压铸件导电聚合物的金属表面迅速成膜，并且成膜均匀，所以，以电沉积法制备铝合金压铸件导电聚合物涂层是最佳选择[3]。利用导电聚合物双体和杂质混合均匀后配制对应的电解液，建立三电极体系，处理后的得到304SS，将其封装后视为工作电极，如此一来就能够扩大电极面积，使其成为参比电极Al/AlCl 的饱和溶液或饱和甘荥（saturated ganxing）电极。

利用循环电极或恒电流方式在304SS 表面制备出不同类别的导电聚合物防腐涂层。具体操作步骤是：取2mol/L 的盐酸100mLh 和1mL 的苯胺相混合，混合溶液在经过超声分散30min以后，将其置于冰水浴（TC）内以磁力棒连续搅拌60min，就可以获得分散的混合溶液，在连续搅拌过程中，需将含有5gAPS 的150mL 的硫酸溶液逐滴混入混合溶液内，滴加结束后继续放在冰水浴中内连续反应3h，静置24h 后，将过滤后的滞留物以去离子水和乙醇二次清洗，目的是为了彻底清除其他小分子杂质，然后利用68℃的烘烤箱将其烘干，就会得到墨绿色粉末[4]。

在整个过程中需要注意的是，当电沉积过程一开始的时候，304SS 基底活性位点就会立即发生热化[5]，此时聚合物的表面基底溶解速率就会大幅下降，进而完成导电聚合物涂层在304SS 表面的生成。

表2 低铝合金成分

2 铝合金压铸件导电聚合物涂层防腐蚀机理

2.1 电化学保护机理

通过电化学保护机理，防腐蚀涂料的主要功能就是在涂料中大量加入铝、锌等相比于钢铁器材所含元素更为活泼的金属粉末。在盐性等腐蚀溶液中，涂层含有铝、锌等防腐蚀涂料的构件组织，一旦发生原电池腐蚀，负电位下的铝、锌就会率先腐蚀，从而实现以牺牲涂料内锌粉、铝粉来保护压铸件或组织构件的目的。

图1 试样在3.5%NaCl 中的Ecorr-t 曲线

图1 为电化学反应下不同铝合金压铸件导电聚合物涂层涂覆试样在3.5%NaCl 溶液内的Ecorr-t 曲线。薄层铝合金压铸件导电聚合物涂层（b）与厚层铝合金压铸件导电聚合物涂层（a）的腐蚀电位相比于PL 膜（c），分别朝着正极方向移动了140mV 和200mV，这就说明本文设计的铝合金压铸件导电聚合物涂层可以明显提高铝合金的耐腐蚀性，同时这也是铝合金压铸件导电聚合物涂层钝化的结果；而且（b）相比于（a），其腐蚀电位朝着阳向移动了65mV，这说明（b）的钝化能力更为优秀。而本文设计铝合金压铸件导电聚合物涂层的腐蚀电流升高，则说明其涂层本身带有一定导电性。经过混合溶液浸泡以后，除去涂层，铝合金压铸件导电聚合物表面可以明显看到已生成紧密的墨绿色氧化层，从而达到防止钝化，提升其防腐蚀性。

图2 代表电化学反应下的不同铝合金压铸件导电聚合物涂层涂覆试样在0.1MHCl 中的Tafel 曲线。结果表明在酸性溶液中，不同铝合金压铸件导电聚合物涂层样品与在非酸性溶液中相同，其腐蚀性电压也是朝着（b）与（a）的阳极方向分别移动了40mV、50mV；且（b）相比于（a），其腐蚀性电位朝着阳极移动至少10mV，这说明其的钝化能力更为优秀。与图1 一样说明电化学导电聚合物涂层在酸性介质中也有利于提高其防腐蚀性，然而相比在盐性介质中，其钝化能力表现稍逊，所以其防腐蚀能力相对来说表现得就弱一些。