316L不锈钢管
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硅烷涂层对316L不锈钢耐腐蚀性能的影响

来源:至德钢业 日期:2019-10-13 00:22:27 人气:380

目的:提高316L不锈钢的耐腐蚀性能。方法在316L不锈钢样品表面涂覆主要成分为1,2-(三乙氧基硅基)乙烷(BTSE)的硅烷涂层。通过电化学分析测试,评价涂覆硅烷涂层的316L不锈钢的耐蚀性,并通过扫描电子显微镜和扫描电化学显微镜对其表面形貌进行分析。结果在相同的腐蚀环境下,与未涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品相比,涂覆硅烷涂层样品的表面更加光滑,点蚀现象明显好转。电化学测试结果显示,涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的腐蚀电位为-565.02 mV,未涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电位为-796.01 mV,前者明显高于后者,其腐蚀倾向明显减小。另外,涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的腐蚀电流为2.5177μA,未涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电流为5.4291μA,涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电流明显更小,表现出了更好的耐腐蚀性能。通过观察扫描电化学显微镜图像可以得出,未涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的电流范围为-3.144×10-9~-1.957×10-9A,涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的电流范围为-3.004×10-9~-1.975×10-9A,涂覆硅烷涂层样品的电流范围更窄,腐蚀程度明显减轻。结论:316L不锈钢表面涂覆硅烷涂层可以在一定程度上减缓样品的腐蚀程度,硅烷涂层起到了物理屏障的作用,显着提高了316L不锈钢的耐腐蚀性。

随着社会的快速发展,金属腐蚀问题越来越严重。腐蚀对国民经济发展有着巨大影响,美国发布的第7次腐蚀损失调查结果表明,其每年的直接腐蚀损失是2760亿美元,约占其GDP3.1%[1]。在2014年我国腐蚀总成本超过2.1万亿元人民币,约占当年GDP3.34%,相当于每个中国人当年承担1555元的腐蚀成本,世界各国因腐蚀而造成的经济损失远超其他各种自然灾害引起的经济损失的总和。通过对石油化工行业每一年发生的事故进行统计分析,爆炸事故中70%是由于设备受到腐蚀破坏且没有及时进行更新,最终造成了严重的事故,因此,了解金属腐蚀与防护具有重要的社会和经济意义[2]。为了减少金属腐蚀给各行各业带来的巨大损失,科研人员开始研究各种金属防腐技术,由于涂层技术在防腐和经济效益方面表现出的卓越性,使其成为防腐蚀技术中应用最广泛的方法之一,尤其在石油产品生产加工,机器、仪表制造及石油化工生产过程中,涂层技术已成为比较主要的防腐蚀手段。在现代工业中,涂层防腐技术也越来越受到人们的重视。

如今无论从经济上还是从环境保护上看,都必须研究开发从源头上减少或无污染的绿色涂层防腐技术。有机涂层技术因其环境友好性和耐腐蚀性引起了全世界研究人员的关注,越来越多的科研人员认为有机涂层在防腐蚀领域具有很好的发展前景。硅烷是一类有机化合物,其主要成分为硅和氧,同时也具有烷基和氟代烷基等其他官能团,它们可以通过不同的组合使用和添加纳米颗粒达到理想的性能[4]。硅烷的化学结构一般为XnSi(CH2)mY,其中,X代表任何可以水解的烷氧基团,Y是功能团,Y的水解性决定了由此产生的硅烷涂层的屏障特性。硅烷涂层为金属和合金提供了重要的防腐保护,可以提高金属表面与后续油漆系统的兼容性[5-6],另外,硅烷还具有易于加工和对各种基材良好粘合的优点。综上所述,可以将硅烷涂层技术运用在不锈钢腐蚀保护上。

近几年,国外对硅烷的成膜过程、有机硅烷脂类对金属的防腐蚀性能[7]和影响硅烷涂层防腐蚀性能的因素等都有相当的研究,并取得了一定的成效。来自卡尔斯鲁厄研究中心和卡尔斯鲁厄大学的科学家们使用硅烷进行深度浸渍,可以保护钢筋混凝土桥梁在15~20年,甚至更长的时间里避免因潮湿和盐侵蚀造成破坏,这种新技术将大大节省高额的桥梁养护费用[8]。国内对硅烷涂层技术的研究较少,需要多做该领域的一些尝试和探讨。本文研究的硅烷涂层的主要成分是1,2-(三乙氧基硅基)乙烷(1.2-Bis(trieth-oxysilyl)ethane,简称BTSE),BTSE涂层是一种典型的硅烷涂层[9],具有生物相容性,而且在国内外很少有在316L不锈钢表面涂覆硅烷涂层从而提高其耐腐蚀性能的研究。本文将通过一系列实验来论述硅烷涂层对316L不锈钢抗腐蚀性能的影响。

1实验

1.1 制备涂料溶液

实验所用的BTSE从上海阿拉丁生化科技股份有限公司购买。配制1000 mL的涂料溶液,首先需要将BTSE水解,BTSE的水解条件可以从相关文献中查阅[10]。本文采用的简便方法是将4%BTSE0.4%的醋酸、6%的去离子水和89.6%的甲醇混合,并用搅拌机搅拌1 h后于室温下静置2天,所得溶液即为涂料溶液。

1.2 涂覆过程

为了能够提高316L不锈钢样品的湿润性,首先将316L不锈钢样品在2.5%NaOH溶液中浸泡10 min左右,然后将不锈钢样品在制备好的涂料溶液中浸泡30 min,最后将前面所制得的样品在100℃的烘箱中干燥1 h,得到测试样品。

1.3 电化学测试

将两块316L不锈钢钢块制作成适合进行电化学测试的样品尺寸(一般情况下为10 mm×10 mm×10 mm),并在其表面焊上铜丝导电,然后留出1 cm2的样品表面用于测试,其余部分用环氧树脂密封。接着用400#600#800#1000#1200#砂纸按从小到大的顺序打磨,直至露出金属光泽表面。最后对制作好的样品进行上述涂覆过程,涂覆结束后用棉花蘸取少许酒精擦拭其表面,并密封放置。空白对照样品只需用棉花蘸取少许酒精清洁其表面,并密封放置即可。

本实验将使用AUTOLAB PGSTAT302N电化学工作站测试被测样品的极化曲线和EIS。本实验过程将采用三电极测试方法,被测试样品为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极,铂片电极为对电极。在测试EIS之前,至少需要监测开路电位1 h以上,以确保电化学工作站的稳定性[11]。待其稳定后,通过在开路电位上应用正弦电位扰动,测试在3.5%Nacl溶液中浸泡相同时间的所有样品的极化曲线,在0.1 Hz~0.1 MHz之间的频率下测量样品的阻抗。实验所得到的数据用ZSimDemo 3.30d阻抗分析软件进行处理与分析。

1.4 扫描电子显微镜

使用在20 keV下操作的ZEISS EV0 MA15扫描电子显微镜(SEM)表征未涂覆和涂覆BTSE涂层的样品在电化学腐蚀测试后的形态。为了检查样品上BTSE涂层是否完好,对BTSE涂覆的样品进行EDS元素分析。在SEM之前对所有样品进行涂覆,以避免对导电性较低的硅烷层进行充电,影响测试结果。

1.5 扫描电化学显微镜

使用CHI900C扫描电化学显微镜(SECM)表征未涂覆和涂覆BTSE316L不锈钢样品腐蚀后的形态。通常情况下,SECM以电化学原理为基础,探针在非常靠近基底电极的表面扫描,其氧化还原电流除了具有反馈的特性外,还直接与基底电极表面特性和液组分等密切相关[12-13]。因此,在基底电极表面不同位置上微探针的法拉第电流图像即可表征基底电化学活性分布和电极的表面形貌[14]

2结果和分析

2.1 EDS元素分析

将未涂覆和涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品分别进行EDS元素分析测试,所得结果如图1所示。因为硅烷为有机化合物,其主要成分为硅和氧,从EDS元素分析图中可以清楚发现,与图1a相比,图1b中出现了Si元素,O元素含量明显增大。这表明第二个样品表面确实已经有了硅烷涂层[15],可以进行接下来的测试实验。

2.2电化学分析

2.2.1极化曲线图分析

2为未涂覆和涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品同时放在3.5%NaCl的溶液中浸泡1 h后得到的动电位极化曲线图,表1为极化曲线的参数值。涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电位(Ecorr)为-565.02 mV,未涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电位(Ecorr)为-796.01 mV,涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电位比未涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电位更高,其腐蚀倾向明显减小。另外,未涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电流为5.4291μA,涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电流为2.5177μA,涂覆硅烷涂层样品的腐蚀电流是未涂覆涂层样品的50%左右。硅烷涂层样品的腐蚀电流越小,表明硅烷涂层是一种有效的防腐蚀屏障[16]。最后通过对比表1中两个样品的腐蚀速率可知,涂覆硅烷涂层样品的腐蚀速率明显更小,也表明腐蚀过程受到了抑制。

2.2.2交流阻抗谱图分析

3和图4分别为未涂覆和涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品同时放在3.5%NaCl的溶液中浸泡1 h后得到的交流阻抗谱图和等效电路图。从图3中可以分析得知:在相同的实验条件下,涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的阻抗值较大,且明显高于未涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品。这一现象表明硅烷涂层作为一个屏蔽层,可隔绝腐蚀介质与316L不锈钢样品的直接接触,缓解不锈钢样品受到的腐蚀作用[17],从而在一定程度上抑制了腐蚀介质对316L不锈钢样品的腐蚀。

2.3表面特征分析

2.3.1扫描电子显微镜

如图5a所示,可以清楚地看到该样品表面明显广泛分布了直径较大的蚀坑,因此认为该样品表面产生了明显的点蚀现象。说明经过电化学腐蚀测试后,没有硅烷涂层的样品经历了较为严重的腐蚀过程。如图5b所示,在相同的放大倍数下,通过与图5a的比较可以看出,该样品表面蚀坑直径变小,点蚀程度有所减轻。说明在经过相同程度的腐蚀后,有硅烷涂层比没有硅烷涂层的316L不锈钢的腐蚀程度更小,更耐腐蚀,认为硅烷涂层具有缓解腐蚀的效果[18]

2.3.2扫描电化学显微镜

通过比较图6a6b可以看出,涂覆比未涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的更加光滑。另外,在相同的腐蚀条件下,涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的电流范围为-3.004×10-9~-1.975×10-9A,未涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的电流范围为-3.144×10-9~-1.957×10-9A。涂覆硅烷涂层的样品比未涂覆硅烷涂层样品的电流范围更窄,表明未涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的腐蚀程度比涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品更深[19-20],说明硅烷涂层在一定程度上起到了缓解腐蚀的作用。

3结论

硅烷涂层对316L不锈钢具有一定程度的腐蚀保护。无论是腐蚀后的形貌特征观察,还是电化学测试结果分析均表明,涂覆硅烷涂层的316L不锈钢具有更光滑的表面和更小的腐蚀电流密度,同时其腐蚀速率也比未涂覆硅烷涂层的316L不锈钢样品的更小。这些实验结果都表明,硅烷涂层显著提高了316L不锈钢的耐腐蚀性能。

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