2021碳球_有序介孔碳复合涂层的制备及其防护性能

碳球_有序介孔碳复合涂层的制备及其防护性能碳球有序介孔碳复合涂层的制备及其防护性能马一鸥，崔龙，何建平，狄志勇，王涛，赵建庆（南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京）摘要：以可溶性酚醛树脂为碳前驱体，三嵌段共聚物为模板剂，碳球为填充相，经旋涂及溶剂蒸发诱导自组装，在不锈钢基体上构筑了具有高疏水性的碳球有序介孔碳微纳米复合涂层。进一步利用进行表面氟化修饰，获得了超疏水性能，润湿角达。扫描电子显微镜显示该复合涂层具有微米级褶皱纳米级介孔孔道的复合结构。在模拟的海洋环境下，经过复合涂层改性的金属基体腐蚀电位正移了，腐蚀电流下降了个数量级，防腐蚀效率高达以上，说明该涂层具有十分优良的防腐蚀性能。关键词：有序介孔碳膜；碳球掺杂；疏水涂层；防腐蚀中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言超疏水技术作为一种新兴的表面处理方法，在建筑、服装纺织、液体输送、生物医学、交通运输工具等领域具有广泛的应用前景。超疏水表面具有其独特的自清洁性、防污特性和低摩擦系数等特性，其有关的制备研究取得了快速发展。目前已报道了许多制备超疏水性材料的方法，主要有：溶胶凝胶法、化学气相沉积（），、激光刻蚀法、模板法等。相比于普通涂层，超疏水涂层具有更强的疏水性能，更强的抗水分子渗透作用，因而具有更佳的防腐蚀性能，将其用于金属材料上，可以起到自清洁、抑制表面腐蚀和表面氧化以及降低摩擦系数等效果。金属是现代工业最常用的材料，涂料涂层防腐蚀是一种经济有效和应用最普遍的方法，因此研究如何在碳素钢基体上制备超疏水表面有着重要的意义。等用肉豆蔻酸在铜表面制备了超疏水表面，显著提升了铜的耐蚀性能。等用肉豆蔻酸在铝表面制备了疏水角达的超疏水涂层，通过在无菌的海水中的电化学测试，结果显示其具有优良的防腐蚀性能。本文以有序介孔碳凝胶为基体，葡萄糖聚合生成的碳球为填充相，利用溶胶凝胶法在不锈钢基体上制备了具有微纳米二级结构的超疏水复合涂层。由于碳球与介孔碳基体均为同一碳材料，经高温碳化后，涂层显示均一的物理化学性质。模拟海洋运输的工作环境，通过动电位极化手段，表征了该涂层的防腐性能。实验先用苯酚和甲醛在碱性条件下聚合得到低分子量（）的可溶酚醛树脂，配成质量分数为的酚醛树脂乙醇溶液。将葡萄糖溶于去离子水中，转移至高压水热反应釜中，控制温度为，冷却后离心分离，分别用去离子水与无水乙醇洗涤数次，烘干，即得葡萄糖基碳球。将模板剂溶于无水乙醇中形成透明的溶液，缓慢滴加酚醛树脂的乙醇溶液，搅拌使其混合均匀，制备碳凝胶；通过继续添加一定比例的碳球，获得碳球介孔碳混合凝胶。分别将碳凝胶和碳球介孔碳混合凝胶均匀旋涂在不锈钢基片表面，在室温下溶剂蒸发，放入干燥箱中热聚合，最后在氮气保护下，保温，保温，升温速率为，得到目标涂层。在复合涂层上旋涂层氨水混合乳液（质量比），室温干燥后，保温，进行涂层的氟化修饰。采用射线衍射仪型表征涂层的结构特征。扫描电子显微镜（）观测涂层的表面形貌。透射电子显微镜型分析碳球的结构。以（质量分数）溶液为腐蚀溶液，采用电化学工作站，在三电极体系中，以铂片为对电极、饱和甘汞电极为参比电极、涂覆碳膜后的试样为工作电极，对试样进行极化测试，扫描速率为，扫描电位区间为，工作面积为。结果与分析复合涂层结构分析从图可以清晰地看出水热制备的葡萄糖基碳球直径在左右，葡萄糖碳球微米粒子均为接近球形的形貌，而且粒子的尺寸比较均匀尺寸均一，碳球分散性好，无团聚现象。图（）为一步模板旋转涂膜方法制备有序介孔碳膜的小角图。由图中可见，所得的介孔碳膜出现（）衍射峰，说明了该碳基涂层具有有序介孔结构；从图（）中可以看出，该复合涂层在（）位置出现微弱的衍射峰，表明碳球的加年第期（）卷基金项目：国家自然科学基金资助项目（）收到初稿日期：收到修改稿日期：通讯作者：何建平作者简介：马一鸥（），女，河北保定人，助教，在读硕士，师承何建平教授，主要从事防腐材料的理论和工艺研究。入会影响在乙醇溶液中形成有序胶束结构，由于葡萄糖基碳球表面的大量羟基易与三嵌段共聚物表面的羟基官能团作用形成氢键，一定程度上对涂层的有序介孔碳基底的有序度有所破坏。图碳球的图像图涂层的小角图图碳球有序介孔碳膜复合涂层的图像 图是复合涂层的场发射扫描电镜图。图碳球有序介孔碳复合涂层的高倍场发射扫描图 从图中可以清晰地看出，该复合涂层由于碳球的添加，在表面形成了微米级的褶皱，并且在这些微米级褶皱上，均匀分布着密集的介孔尺度的孔道结构。这种微米级褶皱纳米级介孔孔道的复合结构，相比普通的介孔碳膜，具有更强的俘获空气的能力，同时马一鸥等：碳球有序介孔碳复合涂层的制备及其防护性能这种微纳米二级结构的存在，使水更不易渗入涂层表面，降低了水的接触面积，因而更加有利于形成接触模型。复合涂层性能分析为了表征所制备复合涂层的疏水性能，我们在涂层表面通过进行化学氟化修饰，构建疏水表面，并研究不同碳球掺杂量对涂层疏水性能的影响，碳球与碳基底的质量比分别为、。由图（）可以看出涂层的静态接触角为，尽管涂层表面修饰了自由能极低的基团，无法实现超疏水，形成模型。从图（）（）中可以明显地看出，在相同的化学修饰的情况下，表面的静态接触角也随着碳球加入量的提高而变大，表明涂层表面粗糙度随之增大。但是当填充相与基底的质量比达到时，静态接触角增加很小或者不增加，进一步增加质量会导致碳球沉降，影响其结构及疏水性能。图介孔碳膜及不同碳球加入量的复合涂层的静态接触角表不同碳球加入量对涂层疏水性能的影响碳球加入量（）接触角（）表面能（） 为表征掺杂碳球对涂层防腐性能的影响，我们分别对裸钢片，单组份碳膜，碳膜涂层，碳球碳膜涂层进行了动电位极化测试，并计算了防腐蚀效率。图为种不同试样的图谱，对应的电化学数据列于表中。由表数据中可以看出，经介孔碳膜涂覆后，试样的腐蚀电位正移了近，腐蚀电流密度下降了近个数量级，说明介孔碳涂层的引入，由于本身能够形成一层致密的保护膜，同时介孔碳本身有着很高的化学稳定性，不与酸碱反应，因而为金属基体提供了良好的保护。而对介孔碳膜表面进行修饰后，腐蚀电流密度进一步下降了近个数量级，证明能有效地降低介孔碳表面的活化能，增强了其疏水性能，从而进一步提高了防腐蚀性能。而在介孔碳凝胶体系中引入碳球作为填充相后，获得了微纳米级粗糙结构，在修饰后，进一步提高了涂层的防腐蚀性能。金属基体在碳膜碳球涂层的保护下，腐蚀电位正移了，腐蚀电流下降了个数量级。图不同试样的动电位极化曲线年第期（）卷匀致密的保护膜之外，还具有对水有极高的抗渗透能力，使腐蚀介质极难渗入金属基体表面，从而能获得高的腐蚀防护性能。表不同试样的腐蚀电流密度与腐蚀电位试样腐蚀电位（）腐蚀电流密度（）防腐效率（）防腐效率，结论采用溶胶凝胶法，以介孔碳凝胶为基体，葡萄糖聚合生成的碳球为填充相，制备具有微纳米二级结构的疏水涂层，并通过表面氟化修饰获得了疏水复合涂层，接触角达到。碳球有序介孔碳复合涂层具有微米级褶皱纳米级介孔孔道的复合结构，且基底与填充相具有良好的相容性。动电位极化（）曲线显示，由于加入碳球形成了微纳米并存的二级结构，涂层获得了较高的疏水性能，使其腐蚀电流密度相对于裸钢降低了个数量级，通过计算防腐蚀效率，发现表面修饰的复合涂层，其防腐蚀效率高达，腐蚀防护性能最佳，具有广阔的工业应用前景。参考文献：，：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（，）：，（），：；马一鸥等：碳球有序介孔碳复合涂层的制备及其防护性能