摘要
金属材料凭借其卓越的导电性、导热性、低成本以及高强度等优点受到了各行各业的广泛关注。Q235碳钢是露天结构中最常用的金属材料之一，由于其低成本和良好的机械强度，常被用于制造各种设备和金属结构。但是对于金属而言，往往存在一个巨大的威胁，那就是金属腐蚀。金属的腐蚀问题是萦绕在世界各国头顶上的乌云，对各个国家带来了极大的损失，既包括经济方面，也在一定程度上威胁到了人类的健康与生命。鉴于沿海地区对人类社会的巨大重要性，沿海地区的金属腐蚀问题尤为重要。碳钢在海港结构，板材和其他场地中经常不可避免地面临各种腐蚀的问题。大约一半的世界人口生活在沿海地区，而发展中国家的工业往往集中在靠近海洋的生产工厂。多年来，人们一直认为，溶解在含水金属夹层中的海洋氯化物等物质会大幅提高金属表面上电解质的导电性，并将进一步破坏金属表面的钝化膜。 因此，如何防止或减缓金属的腐蚀迫在眉睫，科学家们研究了多种抑制金属腐蚀的方法。在众多抑制金属腐蚀的方法中，有机涂层作为经典的方法受到了腐蚀工作者的一致好评。有机涂层具有多种优点，例如耐腐蚀性强，耐磨性优异，且成本低廉。但是，涂层很容易出现裂纹或缺陷，然后金属基质会在一定程度上暴露于氧气，水和腐蚀性离子等环境中，最终将导致腐蚀的保护失效。因此，为了提高涂层的长期耐蚀性，其中一种简单的方法是将腐蚀抑制剂直接掺入涂层中以达到抑制作用。然而，腐蚀抑制剂可能会与树脂基材发生副反应，从而影响涂层的使用寿命。因此，为克服该问题，将腐蚀抑制剂封装在微纳米容器和纳米容器中，例如介孔二氧化硅纳米粒子等，随后再掺入有机涂料中，即可解决这个问题，这也就是智能自修复涂层。 为了切实解决Q235碳钢的保护问题，本工作设计了多种对pH有响应的微纳米容器，并将其添加到环氧涂层中。通过FESEM、TEM、Zeta电势、BET测试、EIS、EDS能谱、XPS能谱、FTIR和UV-Vis等多种仪器，来表征本工作设计的智能自修复涂层。具体研究内容如下： 第一，通过层层自组装技术在CaCO3微粒上修饰多层含苯并三唑（BTA）的聚电解质多层膜，其次合成了负载有海藻酸钠的聚苯胺纳米材料，将二者混合后掺入到环氧涂层中。通过机械损坏或局部pH值变化引起的BTA分子和其他腐蚀抑制剂释放到涂层缺陷中。CaCO3微粒优点众多，例如成本低廉，局部酸化感知能力强。聚苯胺已被证明是一种优良的聚合物防腐材料，可在金属合金的表面形成金属氧化物层。海藻酸钠（SA）是一种环保的食品级粘合剂，具有潜在的抗腐蚀性能。在3.5wt.%的NaCl溶液中浸泡48h后的划痕涂层模值为1.5×106。 第二，由于碳酸钙、聚苯胺与环氧树脂的相容性较差，且复合材料的制备过程较为复杂，于是工作二制备了修饰ZnO量子点的介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)，进而负载BTA分子。不同于碳酸钙、聚苯胺与环氧树脂的相容性有欠缺，介孔二氧化硅纳米粒子与环氧树脂具有较好的相容性，在这里ZnO量子点不仅在酸性条件下可以溶解，以此来释放BTA分子，进而实现金属自修复。介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs）作为介孔材料的一种，凭借其低成本，易制得，高比表面积和高负载率等优点，被广泛应用于药物释放、腐蚀防护等领域中。同时在3.5wt.%的NaCl溶液中研究了涂层的电化学性能和抗腐蚀自修复能力，浸泡48h后的涂层样品模值可达1.5×105。 第三，由于工作一、二复合材料制备工艺复杂，成本较高，因此工作三通过“一锅法”制备了负载腐蚀抑制剂BTA分子的介孔二氧化硅纳米粒子，并在其表面修饰了单宁酸和铁的复合物（TAC），由于单宁酸和铁的络合常数与所处环境的pH有关，因此所制备的该纳米容器对低pH环境敏感，以此在腐蚀过程发生的时候可以实现BTA分子的释放，进而实现金属自修复。同时在3.5wt.%的NaCl溶液中研究了涂层的电化学性能和抗腐蚀自修复能力，浸泡48h后的涂层样品模值可达4×105。
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