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氧化石墨烯掺杂对低碳钢表面硅烷涂层性能的影响

2021-11-14李伟赫荣辉

电镀与涂饰 2021年20期
关键词:低碳钢硅烷孔洞

李伟,赫荣辉

(1.三亚学院理工学院,海南 三亚 572000;2.中国核动力研究设计院,四川 成都 610213)

低碳钢易于锻造加工,被广泛应用于各种建筑构件或强度要求不高的机械零部件。但低碳钢的耐腐蚀能力较差,在工业环境中极易被腐蚀,这限制了其在特种领域的应用[1]。为了提高低碳钢的耐腐蚀性能,扩展其应用范围,有必要对低碳钢进行表面处理。然而常规的表面处理技术严重污染环境,因此需要开发一种环境友好的低碳钢表面处理技术[2-3]。对金属表面作硅烷化处理可在基底与腐蚀介质之间形成物理阻隔,增强金属的耐腐蚀性能,具有成膜效果好、成本低廉、工序简单、环境友好、适用于多种金属等优点,发展前景良好。但纯硅烷膜存在微孔或裂纹,腐蚀介质可通过这些缺陷侵蚀基体,导致膜层的阻隔性能下降,耐腐蚀能力减弱[4-6]。氧化石墨烯(GO)是一种致密的二维单原子层平面结构材料,具有比表面积大,机械性能和阻隔性能优异,化学性能和热学性能稳定等特点,可作为金属基体表面的扩散屏障和抗氧化涂层。另外,氧化石墨烯表面存在大量含氧基团,在水溶液中的分散性良好,具有大量反应活性位点,易与其他物质反应[7-8]。本文采用浸渍法在Q235低碳钢表面制备氧化石墨烯掺杂的双−[3−(三乙氧基)硅丙基]四硫化物硅烷(BTESPT)涂层,研究了氧化石墨烯对硅烷涂层耐腐蚀和耐磨损性能的影响。

1 实验

1.1 材料与试剂

Q235低碳钢,10 mm × 40 mm × 1 mm;BTESBT,≥95%,阿法埃莎化学试剂有限公司;氧化石墨烯,上海昂星科技发展有限公司;无水乙醇、丙酮、冰乙酸、氨水、氢氧化钠,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;试验用水均为自制去离子水。

1.2 基底预处理

依次采用金刚砂纸和绒布打磨Q235低碳钢至表面平整光洁,再用丙酮超声清洗10 min,去离子水冲洗干净后放入3.5% NaOH溶液中浸泡30 s,再用去离子水冲洗干净,最后用氮气吹干待用。

1.3 GO掺杂硅烷溶液的配制

将80 mL乙醇和15 mL去离子水混合均匀,加入5 mL BTESPT,持续搅拌,用冰乙酸和氨水调节溶液的pH至4.5,在35 °C下恒温放置24 h,得到水解的硅烷溶液。然后向其中加入20 mg氧化石墨,超声分散30 min,得到GO掺杂硅烷溶液。

1.4 GO掺杂硅烷涂层的制备

将预处理过的Q235低碳钢放入无GO或GO掺杂的硅烷溶液中2 min,取出后用压缩空气吹干,再放入120 °C烘箱中固化30 min,得到硅烷涂层或GO掺杂硅烷涂层(记为GO−硅烷涂层)。

1.5 性能测试

1.5.1 微观形貌和结构

采用日立S-4800扫描电镜(SEM)观察涂层的表面形貌。采用美国布鲁克Vertex 80傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析涂层的结构。

1.5.2 耐蚀性

采用天津市兰力科化学电子高技术有限公司的LK2005A电化学工作站测试(25 ± 2) °C下不同试样在3.5% NaCl溶液中的塔菲尔(Tafel)曲线和电化学阻抗谱(EIS)。采用被测试样为工作电极(工作区域为10 mm × 0.7 mm,其余部位用硅胶封装),铂电极为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。Tafel曲线测试的扫描速率为1 mV/s,EIS谱图测试的频率范围为100 000 Hz至0.01 Hz,振幅10 mV,测试前将样品置于3.5% NaCl溶液中浸泡1 h。

1.5.3 耐磨性

采用美国CETR UMT-2微观摩擦磨损试验机测试GO掺杂硅烷涂层的摩擦因数,载荷100 N,GCr15对磨球直径5 mm,往复运动摩擦,往复距离5 mm,频率6 Hz,时间30 min。

2 结果与讨论

2.1 涂层的表面形貌

如图1所示,硅烷涂层并非均匀地覆盖在Q235低碳钢表面,表面存在细微的孔洞缺陷,这些孔洞在一定程度上降低了硅烷涂层对腐蚀物质的阻隔能力,从而减弱了硅烷涂层对Q235低碳钢的保护作用。GO−硅烷涂层无明显的孔洞缺陷,也没有明显的团聚现象,说明氧化石墨烯均匀地分散于涂层中,并且对涂层中的细微孔洞起到一定的填充作用,有利于增强涂层对腐蚀物质的阻隔能力。

图1 Q235低碳钢表面硅烷涂层(a)和GO−硅烷涂层(b)的SEM照片 Figure 1 SEM images of silane coating (a) and GO–silane coating (b) on Q235 mild steel

2.2 涂层的相结构

如图2所示,硅烷涂层在3 435 cm−1处的特征峰对应Si─OH和H2O中O─H的伸缩振动,2 980 cm−1和2 915 cm−1处的特征峰对应─CH3中C─H的伸缩振动,1 720 cm−1处的特征峰对应乙酸中C═O的伸缩振动,1 275 cm−1处的特征峰对应Si─CH3中Si─C的伸缩振动,1 140 cm−1和1 050 cm−1处的特征峰分别对应Si─O─C和Si─O─Si的反对称振动,905 cm−1处的特征峰对应Si─OH中O─H的伸缩振动,775 cm−1处的特征峰对应Si─O─Si的对称伸缩振动。除了硅烷的特征峰外,GO−硅烷涂层在1 634 cm−1处还出现了新的特征峰,对应GO芳香环中C═C的骨架振动,表明氧化石墨烯已成功掺入GO−硅烷涂层中[9]。

图2 硅烷和GO−硅烷涂层的FTIR谱图 Figure 2 FTIR spectra for silane coating and GO–silane coating

2.3 涂层的耐蚀性

从图3和表1可以看出,Q235低碳钢表面制备硅烷涂层后,腐蚀电位(φcorr)正移,腐蚀电流密度(jcorr)降低,说明硅烷涂层能够有效抑制Q235低碳钢的腐蚀,提高其耐蚀性。掺杂GO后,涂层的腐蚀电位进一步正移,腐蚀电流密度进一步降低,说明GO−硅烷涂层的保护效果更佳[10]。

图3 Q235低碳钢及其表面涂覆硅烷或GO−硅烷涂层后 在3.5% NaCl溶液中的Tafel曲线 Figure 3 Tafel plots in 3.5% NaCl solutions for blank, silane-coated, and GO–silane coated Q235 mild steel

表1 Tafel曲线的拟合参数 Table 1 Fitting data of Tafel plots

Bode相图在低频区的阻抗能够反映涂层的阻隔能力,阻抗越大,说明腐蚀介质的扩散越困难[11]。从图4a可知,Q235低碳钢基底在整体范围内的阻抗最低,覆盖硅烷涂层或GO−硅烷涂层后,阻抗明显增大,GO−硅烷涂层的阻抗最大,表明GO的加入能够更好地抑制腐蚀介质在硅烷膜中的扩散。从图4b可知, 硅烷涂层和GO−硅烷涂层的相位角和峰宽明显大于Q235低碳钢,说明2种涂层都对基底起到了保护作用。其中,GO−硅烷涂层的相位角和峰宽都大于硅烷涂层,表明GO−硅烷涂层对Q235低碳钢基底的防护效果更好。

图4 Q235低碳钢及其表面涂覆硅烷或GO−硅烷涂层的Bode图 Figure 4 Bode plots of blank, silane-coated, and GO–silane coated Q235 mild steel

由图5可知,Q235低碳钢的阻抗弧最小,最容易被腐蚀。硅烷涂层和GO−硅烷涂层的阻抗弧半圆都大于基底,说明2种涂层都可以作为电极与腐蚀溶液的界面阻隔层,有效抑制腐蚀性溶液对Q235低碳钢基底的腐蚀。GO−硅烷涂层的阻抗弧半圆大于硅烷涂层是由于硅烷涂层中存在孔洞,腐蚀溶液可通过孔洞侵入Q235低碳钢基底,氧化石墨烯的加入可以在一定程度上填充涂层中的孔洞,令涂层致密性提高,耐蚀性因此而提高。

图5 Q235低碳钢及其表面涂覆硅烷或GO−硅烷涂层的Nyquist图 Figure 5 Nyquist plots for blank, silane-coated,and GO–silane coated Q235 mild steel

2.4 涂层耐磨性

从图6可知,硅烷涂层在磨擦的前20 s内摩擦因数就已逐渐稳定在0.25左右,720 s后开始磨损,导致摩擦因数迅速增大。GO−硅烷涂层的摩擦因数在磨擦的前10 s内逐渐增大到0.12左右,相比于硅烷涂层,GO−硅烷涂层具有更长的使用寿命,在1 170 s后才会开始磨损,表明GO−硅烷涂层具有更好的耐磨性。这可能是因为GO−硅烷涂层中的氧化石墨烯具有一定的润滑作用[12]。

图6 Q235低碳钢表面硅烷和GO−硅烷涂层的 摩擦因数随时间的变化 Figure 6 Variations of friction factors with time for silane coating and GO–silane coating on Q235 mild steel

3 结论

利用浸渍法在Q235低碳钢表面制备了GO掺杂的BTESPT硅烷涂层。氧化石墨烯的掺杂可以在一定程度上提高硅烷涂层的致密性,有效提高涂层的耐蚀性和耐磨性。

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