摘要
镁合金得益于其密度低、比强度高等优势，在汽车、航空、生物医药及高科技电子设备等领域展现出巨大的应用潜力，是当代最具发展前景的金属材料之一。但镁金属的标准电极电位为-2.37V，与铁、铝、铜等金属相比无法形成致密氧化膜，较易发生腐蚀，故极大程度地限制了其应用。近年来，超疏水表面因具有良好防水性和自清洁性，在金属防腐领域受到广泛关注。研究表明超疏水表面在铜、铝、镁及其合金等金属表面均展现出理想的防腐效果。但是，目前超疏水表面尚未进行大规模应用，主要受限于工艺成本高、制备过程复杂、原料不环保及涂层机械性差等一系列问题。因此，制备一种方法简单、环保、成本低和机械性能良好的超疏水涂层应用于镁合金表面防腐，对于镁合金和超疏水涂层的广泛应用具有重要意义。 本文通过选取二氧化铈、硅酸镁纳米管、高岭土作为无机材料构筑粗糙结构，以低价环保的十八烷酸、十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）、十六烷基三甲氧基硅烷（HDTMS）作为低表面能物质进行超疏水改性，结合电沉积、浸泡、刷涂、喷涂等多种方法在镁合金基底上构筑超疏水涂层。利用水接触角测量仪、红外光谱、扫描电镜、X射线电子能谱、X射线衍射仪、高速摄像仪等对涂层表面进行表征，探究了超疏水涂层的构筑条件、湿润性、自清洁性、耐酸碱性、耐磨性、以及耐盐腐蚀性等，并利用电化学腐蚀测试探究了涂层样品的腐蚀电流密度及电化学阻抗。具体研究内容和结论可总结如下： (1)采用恒电流电沉积法在AZ31B Mg表面制备了CeO2片状微纳米粗糙结构，在0.015M硝酸铈乙醇溶液、电极间距2.5cm条件下，探究了不同电流密度和沉积时间下涂层的生长特性，结果表明，电沉积时间为60min、电流密度为0.65mA/cm2是较佳电沉积条件，可获得尺寸为1-3μm的CeO2片状结构。使用0.05M硬脂酸对CeO2片状微纳米结构进行1h浸泡修饰，降低了涂层表面能，从而获得超疏水表面。湿润性测试表明硬脂酸改性CeO2涂层的水接触角（CA）大于158°，滑动角（SA）小于2°，具备优良的超疏水性。研究了所制备涂层的稳定性、耐磨性、防腐性和自洁性能，结果发现涂层在空气中及pH值为1-13的溶液中具有较好的稳定性及防污性能。电化学测试证实所制备超疏水涂层改性镁合金（icorr=1.41×10-6A/cm2）具有较强的耐蚀性，相比于原镁合金（icorr=4.71×10-4A/cm2），腐蚀电流密度icorr减小超过两个数量级。然而，电沉积形成的单一超疏水表面在600目砂纸上、100g重量下摩擦80cm后，转变为疏水，还需进一步提升其耐磨性。 (2)采用水热法合成了斜纤蛇纹型硅酸镁纳米管（MS-TNs），利用DTMS对其进行超疏水改性，获得超疏水粉末（MS-TNs/DTMS），再以MS-TNs为载体装载2-巯基苯并咪唑（2-MBI），获得缓蚀剂担载的硅酸镁纳米管（MS-TNs(2-MBI))。以商业环氧树脂为胶粘剂，利用简单刷涂法把MS-TNs(2-MBI)应用于底层，把MS-TNs/DTMS应用于表面，制备出复合超疏水涂层。所制备的涂层CA达155°，SA约5°，具备良好的超疏水性。所制备涂层的超疏水性可经受60cm高度，3L/h流速的水滴和100cm高度，400g/min流速的沙撞击一定时间，具备优越的耐酸（pH=1）、碱（pH=13）、盐（3.5wt.%NaCl）溶液浸泡。电化学测试表明复合涂层修饰镁合金的腐蚀电流密度（icorr=8.12×10-8A/cm2）比原镁合金减小了近4个数量级，在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡21天后，缓蚀效率仍然达到99.88%，表明其优良的长期耐腐蚀性能。所制备的超疏水表面可用于各种基底材料(如铜网、海绵、玻璃载玻片、布、A4打印纸)，表明其作为一种绿色环保、耐用性好的材料在制备超疏水表面及镁合金防腐方面具有潜在的应用价值。 (3)利用高岭土为无机材料，采用电化学法对其进行快速疏水改性，获得超疏水改性的高岭土，按一定比例与环氧树脂和聚二甲基硅氧烷商业胶混合形成涂料，通过喷涂法用于各种基底材料。研究了反应时间、电压以及高岭土掺杂量对所获超疏水粉末湿润性及质量的影响，结果表明当高岭土掺杂量为TEOS和HDTMS质量和的1.25倍时，在30V下反应时间90min所得的超疏水改性粉末疏水性较佳，水接触角达157°，质量达TEOS和HDTMS质量和的1.64倍。此外，确定了涂料各组分的混合比例，探究了所制备涂层的湿润性、耐用性及防腐性。结果表明，该涂料可用于多种基底表面制备超疏水涂层，涂层的CA可达155°，SA小于5°，在pH=1的盐酸溶液、pH=14的氢氧化钠溶液以及3.5wt.%的氯化钠溶液中分别浸泡16天、20天、30天后仍能保持超疏水性。此外，砂纸摩擦测试、划X法粘附力测试以及腐蚀电化学测试表明该涂层在100g重量及600目砂纸上打磨200次仍保持较高疏水性，粘附力达4A级，在3.5wt.%的NaCl溶液中浸泡20天后防腐效率仍保持99.86%，具有良好的耐磨性、粘附性以及防腐性。另外，涂层透光率达80%，采用工业喷涂法易实现大面积应用，对加强镁合金防腐以及超疏水涂层的推广应用都具有较大的现实意义。
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