文摘

加强有机涂层的疏水性会阻碍他们的交互与水,常常会导致更好的在金属腐蚀防护。在这项研究中,一个软光刻方法用于制备环氧树脂涂料显示在高复制砂纸表面微观结构。的微观结构对涂层的疏水性和防护性能的影响进行了研究。相比平涂料、涂层显微组织显示更高的水接触角,用细砂纸进一步增加。由电化学阻抗谱(EIS),平面涂层表现出更高的比微观结构涂层的防腐性能。使用细砂纸,槽的大小相应的微观结构涂层减少了。观察和较低的防腐性能因为更多缺陷可能在给定的区域形成的涂层在印迹过程中。作为涂料的槽的大小进一步下降到5.7µ米,水的微观结构变得太小很容易穿透。因此,被困的空气作为一个额外的障碍,导致增加防腐性能相比其他组织涂料。

1。介绍

腐蚀造成重大威胁工程材料和结构的可靠性和成本~ 3% GDP的经济损失。在所有腐蚀缓解方法,相当大的研究兴趣得到屏障涂料、金属基质物理隔离的腐蚀种类比如水,氧气,和氯离子(1]。然而,由于长期暴露在腐蚀性环境中,涂层表面的吸附水将不可避免地渗透到涂层/基体界面,最终会导致失去附着力和保护(2- - - - - -4]。

表面疏水化水润湿,从而减少水和涂层之间的互动。它显示证明有效性在防腐涂层的使用寿命延长5- - - - - -7]。一般来说,表面疏水性防腐涂料可以通过加入疏水性提高组件或表面粗化创建微/纳米结构(8]。例如,支aminopolydimethylsiloxane (PDMS)与环氧树脂混合和治愈的2]。获得的相互影响聚合物网络(IPN)涂料表现出较低的水扩散系数和显著提高防腐性能对湿热循环。除了硅氧烷,氟有机部分也用于提高涂层的疏水性和屏障属性(9,10]。

相比平面很少显示水接触角(θ)超过120°,粗糙表面可以实现较高的疏水性,甚至超疏水状态θ> 150°。在这些表面,空气被困在微/纳米结构形式对渗水(额外的障碍11]。此外,这些微/纳米结构可以产生一个优秀的自洁效应在超疏水表面,水滴和溶解腐蚀物种很容易卷(12,13]。迄今为止,这样的表面主要是由蚀刻或热液转换生成微/纳米级粗糙度,紧随其后的是接枝疏水链(14- - - - - -16]。然而,表面微观结构的作用有机涂料的屏障属性已经很少了。

软光刻技术是一种有效的微/纳米加工技术,可精确地复制模板产生的微/纳米结构[17]。张等人做过和治愈PDMS到超疏水Xanthosoma sagittifolium叶和转移epoxy-based micropapillary结构的石墨烯纳米复合材料涂层(18]。平涂料相比,微观结构涂层展览提高防腐性能由于空气混入的微观结构。

,商用砂纸被用作模板准备与微结构表面无溶剂环氧树脂涂料。通过选择粒度砂纸,微观结构涂层的槽尺寸是定制的。相比获得的疏水性涂料是通过接触角分析和微观结构的影响涂层的防护性能进行电化学测量。

2。材料和方法

2.1。材料

碳化硅(SiC)砂纸(P240, P400, P600、P1000 P2000)由3 m。PDMS预聚物和硬化剂(Sylgard 184)从道康宁购买。双酚A缩水甘油醚(徽章)和硬化剂Jeffamine D230从西格玛奥德里奇被购买。所有的试剂和溶剂作为收到没有进一步净化。

2.2。PDMS模板的制备

Sylgard 184及其固化剂(10:1、w / w)机械混合在室温下15分钟。获得的前驱溶液倒在砂纸上固定在模具20×20厘米。随后,在真空脱气炉来消除空气困在砂纸的微观结构,以确保忠诚的复制。固化后60°C 12 h, PDMS模板是剥落的砂纸。

2.3。环氧树脂涂料的制备

Q235钢基体与240 -勇气砂纸抛光和清洁和丙酮超声波浴之前涂层。BAGDE和Jeffamine D230 (3: 1、w / w)是机械搅拌在40°C获得一个清晰的混合,然后在钢基体扩散。PDMS模板随后压在涂料,紧随其后的是固化在80°C 2 h和125°C 3 h。剥落PDMS模板后,得到微观结构环氧涂层的厚度~ 60μm。

2.4。表面形态和接触角分析

砂纸上的微观结构和相应的环氧树脂涂料观察使用扫描电子显微镜(SEM、范广达250)。描述的表面粗糙度涂料、粗糙度轮廓的算术平均()确定在三个不同位置的每个标本笔轮廓测定法(有限TA620)。槽的大小是决定使用ImageJ软件(http://rsb.info.nih.gov/ij/)通过平均50相邻突起之间的距离的测量微结构涂料。的固着水滴接触角分析5μL是放置在涂层表面接触角是立即用Dataphysics OCA20测角仪。报告结果的平均五个测量试样的不同区域。

2.5。电化学阻抗谱(EIS)

EIS测量在室温下进行3.5 wt %氯化钠溶液中PARSTAT 2273电化学站,频率范围的10⁵赫兹到10⁻²赫兹在开路电位,20 mV AC扰动。三电极系统,组成的饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,铂电极和反电极,涂层样品作为工作电极(计划1)。阻抗测量之前,工作电极浸没在测试电解液为稳定30分钟。所有测量都至少重复三次,以确保再现性。

3所示。结果与讨论

3.1。Template-Assisted制造

软光刻技术采用弹性模板,尤其是PDMS,构建微/纳米表面可裁制成衣的疏水性和理想的功能17]。然而,我们所知,只有少数研究应用软光刻技术准备微/纳米涂层防腐的目的(18]。在这项研究中,无溶剂环氧防腐涂料是准备通过软光刻方法获得表面微观结构类似砂纸(计划2)。PDMS模板由Sylgard 184地区与线弹性极佳的弹性体的应变值~ 40% (19]。由于较低的表面能,他们也显示最少的粘性砂纸和固化环氧涂料。因此,他们可以很容易地剥落和反复使用而没有明显损伤表面微观结构。图1SEM照片显示砂纸各种丸大小和相应的环氧树脂涂料。环氧涂层的微观结构在非常接近相似的砂纸。随着粒度的砂纸减少P240 P2000,伸出粒子获得降低镀层的大小。表1总结了显微结构涂层的表面粗糙度。从P240 P2000,粗糙度轮廓的算术平均(从~ 9.5)下降μm ~ 3.2μm。此外,坡口大小,定义为相邻突起之间的平均距离微结构涂料,也与~ 60.8明显减少μ~ 5.7米(P240)μ米(P2000)。

3.2。表面润湿性能

表面润湿性能密切相关涂料的防腐能力障碍。增加疏水性会减少水和聚合物链之间的相互作用和阻碍水的扩散,从而提高屏障属性。环氧树脂涂料是非常常用的屏障涂料在严重腐蚀环境由于其较高的机械和热稳定性,高耐化学性,优异的附着力金属基板(1,20.]。然而,他们通常被认为是亲水的,因为它们含有丰富的极性基团,如羟基、氨基、羧基组(2]。重要的一直在努力改善他们的疏水性,通常通过共价交联疏水硅氧烷或氟化半个。然而,这些通常是半个贯穿整个涂料,导致附着力不良损失金属基板(21]。

表面微观结构也显著影响润湿性。图25显示了接触角μL在PDMS水滴模板通过不同的砂纸和相应的环氧树脂涂料。PDMS,平坦的表面上的接触角为115.3°,表现出较高的疏水性。粗糙的PDMS表面显示轻微增加疏水性。从P240 P2000,接触角从121.6°提高到129.9°。然而,对于环氧树脂涂料,引入粗糙度导致接触角显著增加从72.7°(平)到111.7°(P240)。槽尺寸下降导致进一步增加疏水性和环氧树脂涂层获得P2000砂纸显示最高的接触角为126.7°。通常在微结构表面,水滴可以联系文策尔或卡西模式(22]。在平坦的表面接触角之间的关系()和表面微观结构(文策尔和卡西模式显示在图3(23]。文策尔州立(实线,图3(一)),水完全填满的微观结构。水滴的接触角遵循以下方程: 在哪里是粗糙度因素,粗糙表面的接触角,是材料的固有接触角。在卡西状态(虚线,图3(b)),水不能完全深入微观结构,从而接触表面复合困空气粒子和凸现。水滴的接触角卡西州立遵循以下方程: 在哪里是固体的面积分数/水界面。显然,经典的凯西联系人只发生在本质上疏水表面(第三象限图3)。本质上它是热级为亲水材料(第四象限图有疏水的行为3当粗糙)。这是显示为虚线图3和被称为亚稳卡西状态。在这个国家,突出微观结构(图3(c))是必要的,使水不能完全渗透槽由于毛细力提供的能量势垒。在数据1(我)和1(左)伸出,碳化硅微粒等砂纸形式突出微观结构和负责疏水性的增加°在微观结构环氧树脂涂料。随着槽大小减少,它是比较困难的水进入微观结构和穿透空气被困,导致更高的接触角。

3.3。EIS分析

微观结构环氧树脂涂料的防腐性能被EIS评估,衡量涂料的介电性能的频率范围。图4(一)显示了EIS的奈奎斯特图测量。两个电容循环观察涂料,表明水渗透通过膜并已达到金属衬底(24]。因此,电化学反应发生在涂层/基体界面。平涂料的等效电路如图4 (b),在那里氯化钠溶液的阻力。和固定相的元素(CPE)和涂层的电阻,分别。双电层的CPE和吗电荷转移电阻。尽管增加疏水性防腐涂料的性能降低的微观结构涂料、小电容回路如图所示。这可以解释为越来越多的缺陷形成的突起在PDMS模板印迹过程中。随着PDMS模板上的突起变得更细,可以创建更多的缺陷在给定区域相应的涂层。因此,电容回路的直径是P1000从P240下降。有趣的是,P2000涂层电容循环变得明显增大。这可能是由于这一事实P2000太小了对水的凹槽完全穿透。被困的空气还没有被氯化钠溶液,添加总隔离性(18]。除了电容回路,微观结构涂料也显示感应循环在低频区域,这可以归因于吸附腐蚀产物在涂层缺陷(25]。P240-P1000等效电路和P2000图所示4 (c)和图4 (d),分别。电感的腐蚀产品。P2000, CPE ()和电阻(被困的空气被添加到一个更好的适合测量数据。的波德图(图5),值在低频率通常是用来测量涂层的防护性能2,4]。理想涂层展品纯电容行为,因此非常高价值。类似于奈奎斯特图,从平涂料P1000值减少,其次是增加P2000涂层。

提高平的疏水性涂料通常是通过将疏水性低组件与水的相互作用,提高防护性能。相比之下,水接触角的增加粗糙涂层通常归因于空气被困的微观结构和并不总是产生并发防腐性能改善(12,26]。例如,它最近表明,被困的空气可以承受的压力水滴在浸条件可能不稳定(12]。一旦被水渗透,涂料表现出更低的金属基板保护。

4所示。结论

在这项研究中,与带有类似砂纸的微结构表面无溶剂环氧树脂涂料是准备通过软光刻技术方法。砂纸与不同的毅力数字被用来控制微观结构上的槽大小涂料。平的环氧树脂涂层相比,水接触角明显高于微观结构涂层和发现进一步增加与减少槽尺寸。然而,微观结构的增强疏水性涂料没有产生并发增加屏障属性从EIS分析,可能是由于更普遍缺陷印迹过程中形成的。的粒度砂纸进一步降低(P2000),微观结构上的凹槽涂层变得小得多。氯化钠溶液更难以完全穿透空气被困,导致一个更好的防护性能。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。51401018),中国国家基础研究计划(973计划项目,没有。2014 cb643300),中央大学基础研究基金(没有。频- tp - 14 - 044 - a1)。