电泳沉积仿生“砖-泥”层状结构构筑强韧耐蚀涂层及其作用机制研究

Limited to its own nature, organic coating is inevitably subjected to physical and chemical corrosion during its service, resulting in the failure of protection. To deal with the problem, the project put forward to build biomimetic "brick-and-mortar" structure in organic coatings. This structure can gives excellent mechanical and barrier properties to coatings, and improves resistance to physical and chemical corrosion damage, while enhances its protection performance. The coatings with “brick-and-mortar” were directly deposited on metal substrate by optimizing the assembling unit and adjusting the parameters of electrophoresis deposition. On basis of the characterization of the structure, performance, failure process of these composite coatings, the effect of “brick-and-mortar” structure on the performance and failure behavior of the coating was analyzed, and its action mechanism was excavated. The preparation methods and design ideas of coatings with excellent mechanical and anticorrosion properties were summarized, to provide theoretical basis and technical support for the construction of long-term protective coatings.

受制于本身的性质，有机涂层在服役期间不可避免遭受物理及化学腐蚀作用而使防护失效。为应对该问题，本项目提出在有机涂层中构筑“砖-泥”层状仿生结构，利用该结构赋予涂层优异的力学性能和隔绝效果，提高涂层对物理和化学腐蚀破坏的抵抗的同时增强涂层的防护性能。具体通过组装单元的优化，电泳沉积参数的调节，在金属上直接沉积“砖-泥”层状结构涂层；在研究复合涂层结构、性能、失效过程基础上，分析“砖-泥”层状结构对涂层性能和失效行为的影响，挖掘其作用机制；总结兼具优异力学和防腐性能的涂层的制备方法和设计思路，为构建长效防护涂层提供理论依据和技术支撑。

本项目的核心思想是借助在有机涂层中构筑“砖-泥”层状结构赋予涂层超强高韧性抵抗外力破坏及提高隔绝效果降低腐蚀介质渗透，提升涂层的防护性能和使用寿命。研究发现纳米片状氧化锌、纳米片状磷酸锌为组装单元是由于片层较厚难以用电沉积得到“层状”较好的涂层，而以氧化石墨烯、氮化硼纳米片为组装单元通过电泳可以得到“层状”结构涂层。但是由于氮化硼纳米片商业产品质量较差，实验室剥离效率不高，而氧化石墨烯已经有成熟的商业化产品，因此研究以氧化石墨烯为主。利用静电吸附阳离子聚合物（CPAV）和表面化学接枝硅烷（APS）得到能荷正电的GO-CPAV和GO-APS，利用聚苯胺改性得到了GO-PANI纳米片，并研究了溶剂、电泳电压、交联剂等参数对电泳沉积的影响。研究发现：.（1）溶剂对GO-CPAV的沉积行为具有巨大的影响，从组成为1 mg/ml CPAV，1 mg/ml GO，pH 5.5，50%（v/v）乙醇水溶液的电泳溶液中阴极电泳沉积得到的GO-CPAV涂层呈良好的有序层状结构，而纯水、纯乙醇体系不利于有序层状结构的制备；.（2）电泳电压对GO-APS的沉积行为具有大的影响，组成为0.5 mg/ml GO-APS，0.5 mg/ml TEOS，pH 3.8，50%（v/v）乙醇水溶液电泳溶液中，当施加电压10 V时（阴极和阳极距离3 cm）阴极电泳沉积得到的GO-APS涂层呈良好的有序层状结构；.（3）利用电泳沉积GO-PANI纳米片成功得到具有有序层状结构GO-PANI涂层，然而在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡96 h后，GO-PANI涂层即发生剥落及断裂，其原因在于PANI本身为刚性高分子使得GO-PANI涂层本身脆性大容易破损；.（4）电化学测试技术结果表明有序层状GO-CPAV和GO-APS复合涂层在3.5 wt. % NaCl溶液中长期浸泡中表现出长效防护效果，在分别经历1200 h和960 h后，两种涂层的防护效果未见劣化。.（5）将GO-PANI纳米片和聚丙烯酸树脂（AR）混合，利用电泳沉积成功得到有序层状结构的GO-PANI-AR涂层，相比于AR涂层、GO-AR涂层，GO-PANI-AR复合涂层，GO-PANI-AR涂层能够为碳钢基体提供更好腐蚀防护效果，其归因于GO-PANI-2-1双重防锈特性以及纳米片有序层状分布的结构优势。