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[转载]微弧氧化AZ31镁合金表面一步法制备聚丙烯涂层的耐蚀性和超疏水性能研究

已有 578 次阅读 2021-9-16 08:25 |个人分类:科研进展|系统分类:论文交流|文章来源:转载

镁合金因具备重量轻、比强度高和易于循环利用等优点,可广泛应用于汽车、航空航天以及军事装备等领域。但镁合金化学活性高,极易在水溶液中遭受腐蚀。因此,如何提高镁合金的耐蚀性一直是国内外学者研究的重点。通过功能化表面改性可显著改善镁合金的耐蚀性,提高其使用寿命,进一步扩大镁合金应用范围。其中,超疏水涂层能够减小水溶液和涂层之间的接触面积,阻止腐蚀介质侵入镁基体,显著延长了镁合金的服役周期。然而,超疏水表面通常由低表面能物质修饰具有一定粗糙度的表面来构建,兼具粗糙微观结构和低表面能的特点,稳定性较差,削弱了镁合金的腐蚀防护能力。

最近,山东科技大学曾荣昌教授课题组采用一步浸涂法在微弧氧化(MAO)预处理AZ31镁合金表面制备了一体化的超疏水聚丙烯(PP)涂层。研究结果表明,MAO/PP涂层的接触角高达167.2 ± 0.8º,自腐蚀电流密度下降了约四个数量级,显示出优异的超疏水性和耐腐蚀性。此外,该涂层还具有良好的坚固性和耐久性,这为扩大镁合金在工业领域的应用提供了可能性。

系统研究了所制备MAO/PP涂层的微观结构和形貌。MAO/PP涂层的制备过程如图1所示,将MAO预处理的AZ31镁合金首先置于PP溶液中,再取出烘干即可获得一体化的PP超疏水涂层。AZ31镁合金表面MAO以及MAO/PP涂层的微观形貌如图1a-f所示,由于MAO涂层在电解液中快速冷却时形成了高压火花放电通道,在涂层表面可明显观察到典型的多孔结构(图1a-c),EDS数据表明涂层主要由MgO构成,说明MgO是涂层的主要组成成分(图1g);MAO/PP涂层呈现出微米级颗粒结构,EDS结果表明该颗粒状物质主要由C元素(> 95.00 at.%)组成,上述结果证实了MAO/PP涂层已成功在AZ31镁合金表面制备。

图片1 MAO/PP涂层的制备示意图与SEM/EDS分析

重点探究了MAO/PP复合涂层的超疏水性、坚固性和耐久性。样品的接触角如图2a所示,AZ31镁合金基体的接触角为98.5±1.5º,修饰了MAO涂层后,样品的接触角降低至45.6±2.7º,这可能归因于MAO涂层的多孔结构及其表面亲水性的MgO物质。由于一体化的PP涂层兼具粗糙的微观结构和低的表面能,因而MAO/PP涂层显示出较高的接触角和较低的滚动角,分别为167.2 ± 0.8º2.7 ± 0.5º,表现出出色的超疏水性(图2b)。坚固性和耐久性是影响超疏水涂层性能的重要参数。MAO/PP涂层与不同pH值溶液的接触角保持在158-167°范围内,显示出优异的化学稳定性(图2c);涂层在NaCl溶液中浸泡5 d后,仍具有良好的超疏水性能(图2d);图2e模拟了MAO/PP涂层在户外遭受雨水冲击的情景,水流持续在涂层表面反弹,涂层表面未润湿。上述结果表明MAO/PP超疏水涂层具有良好的坚固性和耐久性。

图片2 MAO/PP涂层的润湿性、坚固性和耐久性评价

本研究还通过电化学测试评估了MAO/PP涂层的耐腐蚀性能,结果如图3所示。与其他试样相比,MAO/PP涂层具有最大的容抗弧半径和阻抗模值(0.01 Hz),拟合电路参数也显示出其具有最大的Rct,表明该涂层具有优异的耐腐蚀性能。

图片3 AZ31镁合金及其MAOMAO/PP涂层的电化学测试

综上所述,本文通过一步浸涂法在MAO预处理AZ31镁合金表面成功制备了一体化的PP超疏水涂层。研究表明,该涂层具有微米颗粒状结构,显示出优异的超疏水特性,具有较好的坚固性和耐久性,显著提高了镁合金的耐蚀性,能够为镁合金提供长效的腐蚀防护,这为进一步扩大镁合金的应用具有重要意义。


该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2021年第9卷第4期:

  Corrosion resistance and super-hydrophobicity of one-step polypropylene coating on anodized AZ31 Mg alloy. Journal of Magnesium and Alloys, 2021, 9(4):1443-1457.

中文摘要

超疏水涂层在镁合金腐蚀防护方面有着广泛的应用前景。超疏水涂层的综合性能(疏水性、粘附力和耐腐蚀性等)高度依赖于内层的物理和化学性质。本文采用一步浸涂法在微弧氧化(MAO)预处理的AZ31镁合金表面制备了一体化超疏水聚丙烯(PP)涂层。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析了复合涂层的表面形貌和化学成分组成。通过测量接触角和滚动角研究了复合涂层的润湿性。由电化学和析氢测试评估样品的耐腐蚀性能。结果表明,MAO/PP复合涂层表面具有微米级的颗粒结构并显示出较高的接触角(167.2 ± 0.8°)和较低的滚动角(2.7 ± 0.5°);经MAO/PP超疏水涂层修饰的AZ31镁合金基体的耐蚀性显著提高,自腐蚀电流密度降低至8.76 × 109 A·cm2;涂层在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡248 h后仍保持完整的表面结构,显示出极好的坚固性和耐久性。由于底层粗糙多孔的MAO涂层提供了更多的物理锁合粘附位点,PP涂层与MAO涂层之间的粘附力较强。

信息来源:镁合金学报微信公众号





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