鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層的制備及防腐蝕機理研究

王金艷，高騰華，白小龍

（陜西省榆林市榆陽區金雞灘循環經濟產業園管委會，陜西 榆林 719000）

國民經濟的正常運行需要各種金屬的投入使用，可是由于金屬在絕大部分工作環境下總是或多或少地發生腐蝕反應，導致金屬浪費[1]。腐蝕是金屬在特定環境下和部分介質發生化學反應而出現的自然現象，會造成金屬性質發生改變或惡化。和干旱、地震等自然災害相同，金屬的腐蝕也會對道路、橋梁、管道以及一些公共建筑物體等產生不可逆轉的破壞，這不單單會嚴重威脅到社會安全，同時還會給國家帶來巨大的經濟損失和生態污染。鋁合金壓鑄件作為富含鋁元素的鋁合金制品，雖然其和部分輕金屬如鎂、鈦、錳等相比，其密度比較大，然而因為鋁合金壓鑄件具備良好的韌度、導電性等特征，在工業以及能源利用上擁有非常廣闊的應用前景[2]。現今為止，我國已研發出諸多種類的鋁合金壓鑄件以滿足其在石油化工、建筑等的現實需要。雖然鋁合金壓鑄件相比于傳統金屬來說，其防腐蝕性能較好，但在氯離子、含酸化合物等腐蝕性液體存在的環境下，鋁合金壓鑄件依然極易發生腐蝕反應，據統計每年大概將近25%的鋁合金壓鑄件會發生腐蝕，嚴重的話甚至會影響到新材料的研發和利用。鋁合金壓鑄件的腐蝕一般是由電化學腐蝕造成的，換句話說，其在腐蝕環境能夠生成以鋁合金為陰極的電池運行體系。因為鋁合金壓鑄件在腐蝕環境下，其熱力穩定性會出現惡化，所以會生成自由的吉布斯能態，即氧化物形式，同時這也是鋁合金壓鑄件發生腐蝕的根源。

1 鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層的制備

1.1 主要材料

有關鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層的制備材料中的試劑主要準備如下所示。

表1 實驗準備試劑

1.2 基體材料

鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層在制備過程中會涉及電化學沉積作用，所以需要鋁合金材料為低合金，本實驗以通用的鋁合金材料加工成10mm3×10mm3×10mm3大小的合金試樣為主。低鋁合金的基本成分見于表2。

1.3 主要儀器

實驗過程中所使用的主要儀器設備如表3 所示。

儀器 廠家 型號電子分析天平 BS224S 賽多利斯集團超聲波清洗器 KQ－100DE 昆山超聲儀器有限公司鼓風干燥箱 DHG－9076A 景宏實驗設備有限公司磁力攪拌器 85－1A 科爾儀器設備有限公司電化學工作站 CHI660D 辰化儀器有限公司超純水機 Aut0lab302N 萬通中國有限公司離心機 BDP－10TL 權坤生物科技有限公司平板腐蝕測試池 TG16－WS 離心機儀器有限公司掃描電子顯微鏡 JSM－6510 精藝儀器有限公司透射電子顯微鏡 JEM－2100 三思設備儀器有限公司原子力顯微鏡 Dimension3100 克呂士有限公司光學顯微鏡 AxioImagerM2m 鉑金埃爾默有限公司傅里葉紅外變換光譜儀 Nexus870 蔡司光學有限公司接觸角測量儀 DSA100 尼高力有限公司

1.4 涂層制備

電沉積法制備導電聚合物涂層能夠最大限度地使鋁合金壓鑄件導電聚合物的金屬表面迅速成膜，并且成膜均勻，所以，以電沉積法制備鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層是最佳選擇[3]。利用導電聚合物雙體和雜質混合均勻后配制對應的電解液，建立三電極體系，處理后的得到304SS，將其封裝后視為工作電極，如此一來就能夠擴大電極面積，使其成為參比電極Al/AlCl 的飽和溶液或飽和甘滎（saturated ganxing）電極。

利用循環電極或恒電流方式在304SS 表面制備出不同類別的導電聚合物防腐涂層。具體操作步驟是：取2mol/L 的鹽酸100mLh 和1mL 的苯胺相混合，混合溶液在經過超聲分散30min以后，將其置于冰水浴（TC）內以磁力棒連續攪拌60min，就可以獲得分散的混合溶液，在連續攪拌過程中，需將含有5gAPS 的150mL 的硫酸溶液逐滴混入混合溶液內，滴加結束后繼續放在冰水浴中內連續反應3h，靜置24h 后，將過濾后的滯留物以去離子水和乙醇二次清洗，目的是為了徹底清除其他小分子雜質，然后利用68℃的烘烤箱將其烘干，就會得到墨綠色粉末[4]。

在整個過程中需要注意的是，當電沉積過程一開始的時候，304SS 基底活性位點就會立即發生熱化[5]，此時聚合物的表面基底溶解速率就會大幅下降，進而完成導電聚合物涂層在304SS 表面的生成。

表2 低鋁合金成分

2 鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層防腐蝕機理

2.1 電化學保護機理

通過電化學保護機理，防腐蝕涂料的主要功能就是在涂料中大量加入鋁、鋅等相比于鋼鐵器材所含元素更為活潑的金屬粉末。在鹽性等腐蝕溶液中，涂層含有鋁、鋅等防腐蝕涂料的構件組織，一旦發生原電池腐蝕，負電位下的鋁、鋅就會率先腐蝕，從而實現以犧牲涂料內鋅粉、鋁粉來保護壓鑄件或組織構件的目的。

圖1 試樣在3.5%NaCl 中的Ecorr-t 曲線

圖1 為電化學反應下不同鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層涂覆試樣在3.5%NaCl 溶液內的Ecorr-t 曲線。薄層鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層（b）與厚層鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層（a）的腐蝕電位相比于PL 膜（c），分別朝著正極方向移動了140mV 和200mV，這就說明本文設計的鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層可以明顯提高鋁合金的耐腐蝕性，同時這也是鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層鈍化的結果；而且（b）相比于（a），其腐蝕電位朝著陽向移動了65mV，這說明（b）的鈍化能力更為優秀。而本文設計鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層的腐蝕電流升高，則說明其涂層本身帶有一定導電性。經過混合溶液浸泡以后，除去涂層，鋁合金壓鑄件導電聚合物表面可以明顯看到已生成緊密的墨綠色氧化層，從而達到防止鈍化，提升其防腐蝕性。

圖2 代表電化學反應下的不同鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層涂覆試樣在0.1MHCl 中的Tafel 曲線。結果表明在酸性溶液中，不同鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層樣品與在非酸性溶液中相同，其腐蝕性電壓也是朝著（b）與（a）的陽極方向分別移動了40mV、50mV；且（b）相比于（a），其腐蝕性電位朝著陽極移動至少10mV，這說明其的鈍化能力更為優秀。與圖1 一樣說明電化學導電聚合物涂層在酸性介質中也有利于提高其防腐蝕性，然而相比在鹽性介質中，其鈍化能力表現稍遜，所以其防腐蝕能力相對來說表現得就弱一些。

2.2 隔離屏蔽機理

通過材料的隔離屏蔽機理，涂層表面所含有的防腐蝕料添加了鱗片狀填料。目的是為了降低涂層對濕度環境、氧氣等腐蝕因子的適應性。涂層中增加的片狀填料具體是呈云狀分布，這種結構有效實現了“捉迷藏效應”，很大程度上延長了腐蝕溶液滲透涂層接觸母體的路徑，從而實現了延長涂層的抗腐蝕壽命。

3 結語

對鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層的制備進行分析，依托鋁合金壓鑄件的生產和應用要求，根據電化學反應，對其導電聚合物的涂層進行調整。實踐表明，該設計方法在抗腐蝕性能上具有極高的有效性。希望本文的鋁合金壓鑄件導電聚合物涂層的制備可以為未來有關導電聚合物涂層提供一定程度的參考意義。