近海腐蚀大气环境下纳米TiO2改性环氧富锌涂料耐蚀性的研究.doc

1、摘 要涂料作为现今社会工业建筑、汽车、船舶等方面应用最为广泛的腐蚀防护手段，其重要的位置是其他腐蚀防护手段不可替代的，而纳米复合涂料作为一种新型改进涂料已经成为社会的研究热点。调研发现，关于应用纳米TiO2改进涂层防腐性能方面的研究报道很少，因此，对纳米TiO2改进涂层防腐性能的研究与评价具有重要意义。本文首先通过水热法方法制备纳米TiO2，平均粒径达到14.5 nm。将制备出的纳米TiO2添加到环氧富锌涂料中，通过机械搅拌和超声分散相结合的方式，获得分散性较好的纳米TiO2改性环氧富锌涂料。采用喷涂方法将纳米TiO2改性环氧富锌涂料和未改性的环氧富锌涂料分别涂覆到普通碳钢上。随后通过盐雾实验

2、法模拟海洋大气环境，并结合电化学方法分别研究了TiO2含量、涂层厚度和温度对涂层耐蚀性的影响。实验结果表明，碳钢表面涂覆纳米TiO2改性环氧富锌涂料后，其防腐蚀性能提高，并且纳米TiO2的掺杂量在1%附近，厚度为150 m左右能够更好的提高防腐蚀性能，随着温度的升高涂层的耐蚀性能逐渐降低。 关键词：纳米TiO2；改性涂料；防腐蚀性能ABSTRACTCoatings are the most widely used corrosion protection methods which are used in industrial architecture, automobile and ship

3、s in nowadays society. Its important position cant be replaced by other corrosion protection methods. Nanocomposite coatings which are act as new modified coatings have became the focus study now. Its rarely reported that using nanoTiO2 to improve the corrosion resistance, it is make a difference to

4、 study and evaluate this kind of coating because of the excellent properties of nanoTiO2 .Through mechanical stir and ultrasonic dispersing methods to mix the nanoTiO2 and epoxy zinc-rich coatings can prepare modified coatings. With spraying method, in carbon steel coated with nanoTiO2 modified coat

5、ings and unmodified coatings respectively then we will do neutral salty fog test and electrochemical techniques. Experiment results show that the carbon steel coated with nanoTiO2 modified coatings anti-corrosion is better than the carbon steel coated with unmodified coatings，doping amounts of 1% na

6、noTiO2 and 150m of thickness is better with appropriate thickness. With the increasing of the tempeature，the anti-corrosion properties are decreasing gradually.Key words：nanoTiO2; modified coatings; anti-corrosion properties目 录第1章 前 言11.1 引言11.2 纳米粒子的基本特性11.2.1 纳米粒子效应11.2.2 纳米二氧化钛性质与应用11.3 环氧富锌涂料的特点

7、31.3.1 环氧富锌涂料的概述31.3.2 环氧富锌涂料的防腐蚀机理31.3.3 纳米涂料的应用41.4 国内外纳米改性涂料研究现状41.4.1 国外研究现状41.4.2 国内研究现状51.4.3 研究发展趋势61.5 本论文研究主要内容6第2章 实验原理与方法72.1 引言72.2 纳米粒子的团聚与分散72.2.1 纳米粒子的团聚72.2.2 纳米粒子的分散72.3 纳米TiO2制备与表征82.3.1 实验室纳米TiO2的制备82.3.2 纳米TiO2的表征102.4 纳米涂料的制备方法102.4.1 共混法102.4.2 溶胶凝胶法112.4.3 原位聚合法112.5 实验方法112.5

8、.1 改性涂料的制备112.5.2 涂层试样的制备112.5.3 盐雾试验12第3章 纳米TiO2改性涂料耐蚀性的研究163.1 实验制备纳米TiO2及其表征163.1.1 制备纳米TiO2163.1.2 XRD表征163.2 纳米TiO2掺杂量对涂料耐蚀性的影响173.3 涂层厚度对改性涂料耐蚀性的影响203.4 温度对改性涂料耐蚀性的影响213.5 纳米TiO2改性环氧富锌涂料阻抗谱研究223.5.1 开路电位233.5.2 电化学阻抗谱23第4章 结 论26致 谢27参考文献28第1章 前 言1.1 引言涂料作为常用的重要化工产品，被普遍应用于建筑、宇航、船舶、汽车、医疗等几乎各行各业，

9、起着外观装饰和耐候、防腐等功能性作用。随着人们生活水平的日益提高，功能单一的传统涂料已不能满足当今社会的需要。开发具有多种性能的新型涂料，已成为涂料工业研究的新热点。将纳米粒子应用于涂料中能够使其获得更多特殊性能，如提高涂层的耐老化性、耐腐蚀性、抗辐射性，还可以进一步提高涂层的附着力、耐冲击性、柔韧性等。另外，纳米涂料还呈现出一些特殊性能，如自清洁、抗静电、吸波隐身等性能。纳米材料的广泛应用为涂料工业的发展提供了新的机遇和前景。1.2 纳米粒子的基本特性纳米粒子是指粒度在1100 nm之间的粒子（纳米粒子又称超细微粒）。属于胶体粒子大小的范畴。它们处于原子簇和宏观物体之间的过度区，处于微观体系

10、和宏观体系之间，是由数目不多的原子或分子组成的集团，因此它们既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。由此可见，纳米粒子应具有一些新异的物理化学特性。纳米粒子的这种结构特征使它具有下列四个方面的效应：表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应1。1.2.1 纳米粒子效应表面效应 固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时，表面原子可以忽略；但当粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其作用就不能忽略，而且这些晶粒的表面积、表面结合能和化学能等都发生了质的变化，人们把由此引起的特异效应统称为表面效应。小尺寸效应 当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波的波长相

11、当或者更小时，周期性的边界条件将被破坏，这就是纳米材料的体积效应也称小尺寸效应2。量子尺寸效应 每一种元素的原子都具有特定的能级光谱，由无数的原子构成大块物质时，单独原子的能及就合并成能带，间距小，可以看做是连续的。对介于原子与大块物质之间的纳米微粒而言，能带就分裂成单独的能级，就会呈现出与宏观截然不同的光学特性，称为量子尺寸效应。宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的效应称为隧道效应。而一些宏观量子也具有隧道效应，他们可以穿越宏观体系的势垒而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应3。1.2.2 纳米二氧化钛性质与应用纳米二氧化钛，也称作钛白粉。其外观为白色疏松粉末。主要结晶形态：锐钛型、金红石

12、型和板钛型。其中有应用价值的是金红石型和锐钛型纳米二氧化钛。 金红石型二氧化钛相比于锐钛型二氧化钛稳定并且致密，具有很高的硬度、密度、介电常数和折射率，而锐钛型二氧化钛相比于金红石型二氧化钛在可见光短波部分的反射率高，另外对紫外线的吸收能力比金红石型低，光催化活性比金红石型高4。在一定条件下，锐钛型二氧化钛可转化为金红石型二氧化钛。纳米二氧化可用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域，作为紫外线屏蔽剂，防止紫外线的侵害。也可用于高档汽车面漆，具有随角异色效应。纳米二氧化钛具有非常独特的物理、化学性质。它具有对光散射力强、着色力高、遮盖力打、白度好、折射率高、化学惰性高、对人体无毒无害的特点

13、。对于粒径纳米级别的二氧化钛而言，其表面电子结构和晶体结构发生了变化，所以产生了其他普通粒径级别粒子所不具备的性能从而具有优越的紫外线屏蔽作用、光化学效应和颜色效应等5。纳米二氧化钛不同于宏观物体结构的特点是，它表面积占很大比重，而表面原子既无长程序又无短程序的非晶层。可以认为其表面原子的状态更接近气态，而粒子内部的原子可能呈有序的排列。纳米二氧化钛的体积效应使其能产生渗透作用，深入到高分子化合物的键附近，与电子云发生重叠，长生化学键合作用，形成空间网状结构，提高分子间的化学键作用力，从而大幅度提高了高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性和耐热性6，纳米二氧化钛的量子尺寸效应和宏观量子隧道效应使纳

14、米二氧化钛晶粒中光照产生的电子和空穴不再自由，存在库伦作用，由于空间的强烈束缚导致电子-空穴对吸收光谱的边界蓝移，这就使高分子化合物对长波紫外线的反射能力显著增强，所以纳米二氧化钛是极有发展前途的物理屏蔽性紫外线防护剂。纳米TiO2的应用总结见表1-1： 表1-1 纳米TiO2的性质和应用性质特征作用力学性质超塑性陶瓷，塑料，农用塑料薄膜热学性质熔点低耐热性强精细陶瓷（电子陶瓷）皮革鞣质导电性质半导体性质导电涂料，导电塑料，复印纸磁学性质磁性能高颜色效应光电性磁记录材料高档轿车涂料感光材料光学性质紫外线吸收性红外线反射化妆品，食品包装，化学纤维红外线反射膜，隐身涂层化学活性吸附性强光催化性除臭

15、剂，催化剂载体催化剂（化工），农药，医药 1.3 环氧富锌涂料的特点1.3.1 环氧富锌涂料的概述富锌涂料作为钢结构防腐的配套产品，以其优异的综合性能，突出的防腐性能受到该结构市场的重视。它广泛的应用于轮船、海上采油平台、码头、贮罐、管道、桥梁等耐久性防护。环氧富锌涂料是一种耐蚀性能优异的重防腐涂料，已广泛应用到工业防腐的各个领域。1.3.2 环氧富锌涂料的防腐蚀机理富锌涂料的防腐蚀机理主要是在腐蚀环境中腐蚀牺牲锌粉（阳极）而保护钢铁（阴极）。因此，于是涂膜导电并发挥牺牲阳极的作用，涂膜中就要求含有大量的锌粉粒子，他们相互接触，并与钢基体也保持电接触7。一般涂膜中锌粉含量大于77%时，富新涂料才有导电和保护阴极的作用8。但涂层中锌粉含量过高，易导致涂层多孔，附着力下降，富锌涂料上若再涂覆其他高固体分面漆，便会使面漆产生气泡、真空。若为了增强涂层的防腐蚀能力而加厚涂膜，便会使涂层在干燥过程中产生收缩，易出现裂纹，涂