【摘要】：金屬材料在海洋裝備中的應(yīng)用最為廣泛,一旦發(fā)生腐蝕,將導(dǎo)致嚴(yán)重破壞和巨大經(jīng)濟(jì)損失。超疏水表面是近年來金屬腐蝕防護(hù)研究中的一項(xiàng)重大技術(shù)突破。本文以甲基丙烯酸酯基氟丙基POSS(F-POSS)為研究對(duì)象,通過溶液自由基聚合法將F-POSS引入到丙烯酸酯聚合物中,以產(chǎn)物含氟POSS丙烯酸酯聚合物為成膜材料,采用水滴模板法在Q235鋼上制備涂層,并對(duì)涂層的潤(rùn)濕性能、防腐性能和穩(wěn)定性能進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:(1)采用水解縮合法,制備不完全縮合的POSS三醇鈉鹽(Na_3O_(12)Si_7(C_3H_4F_3)_7),通過頂點(diǎn)-蓋帽反應(yīng),合成甲基丙烯酸酯基氟丙基POSS(F-POSS)。再通過溶液自由基聚合法,將合成的F-POSS引入到丙烯酸酯聚合物中,制備含氟POSS丙烯酸酯聚合物。通過FTIR、~1H NMR、~(29)Si NMR、GPC、DSC和TGA對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征和測(cè)試,結(jié)果表明成功合成了完整籠狀結(jié)構(gòu)的單官能化F-POSS和不同F(xiàn)-POSS含量的含氟POSS丙烯酸酯聚合物。聚合物分子量分布(PDI)為1.8-2.0,玻璃化轉(zhuǎn)化溫度為22-47℃,初始分解溫度為199.3-242.8℃。(2)以含氟POSS丙烯酸酯聚合物為成膜材料,采用水滴模板法在Q235鋼上制備蜂窩狀多孔涂層。通過SEM、EDS、AFM和接觸角測(cè)試儀對(duì)涂層表面的形貌、元素含量、粗糙度和潤(rùn)濕性進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)地研究了F-POSS含量和聚合物濃度對(duì)涂層表面形貌和潤(rùn)濕性的影響,同時(shí)研究了制備的超疏水涂層的耐酸堿性、熱穩(wěn)定性和持久性。結(jié)果表明,當(dāng)F-POSS含量為25%,聚合物濃度為30mg/mL時(shí),在Q235鋼上制備的涂層表面有微納米粗糙結(jié)構(gòu),粗糙度為228 nm,氟元素含量高達(dá)26.59%,水接觸角達(dá)到153°,表現(xiàn)出超疏水特性。同時(shí),含氟POSS丙烯酸酯聚合物超疏水涂層對(duì)pH值為1-14的水滴保持超疏水性,在-25℃-200℃溫度下處理1 h后水接觸角超過150°,而且在空氣中暴露60天后仍具有超疏水性,表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。(3)在中性的3.5wt%NaCl溶液中,通過電化學(xué)交流阻抗和Tafel極化曲線研究不同涂層的腐蝕防護(hù)能力,通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)電化學(xué)阻抗的變化,深入研究了不同涂層的長(zhǎng)期防腐效果。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,在中性的3.5wt%NaCl溶液中,含氟POSS丙烯酸酯聚合物超疏水涂層防腐效果最好,低頻阻抗值|Z|_(0.01Hz)大于10~8Ωcm~2,比Q235基底高5個(gè)數(shù)量級(jí),浸泡20天后保持在10~5Ωcm~2以上。同時(shí)腐蝕電流密度i_(corr)值為2.01×10~-99 A cm~(-2),緩蝕率為99.98%。說明在中性3.5wt%NaCl溶液中制備的超疏水涂層具有可持續(xù)的耐腐蝕性能。此外,研究了在pH=2和pH=13的3.5wt%NaCl溶液中,不同涂層的防腐性能。結(jié)果表明制備的超疏水涂層的防腐效果同樣是最好的,|Z|_(0.01Hz)均大于10~8Ωcm~2,浸泡20天后|Z|_(0.01Hz)都保持在10~5Ωcm~2以上,i_(corr)值都是最低的,緩蝕率分別達(dá)到99.96%和99.95%。說明含氟POSS丙烯酸酯聚合物超疏水涂層不僅在中性條件下具有良好的防腐性,而且在酸性和堿性條件下也具有良好的防腐性。
【圖文】：

當(dāng)表面傾斜到一定角度時(shí)，如果液滴在斜面上穩(wěn)定時(shí)，接觸角變大或變小，，即前進(jìn)角（ ）或后退角（ ）（圖1-1(b)）。如果沒有接觸角滯后，水滴將滾出表面[11]。為了定量表征粗糙表面的潤(rùn)濕性，Wenzel[13]和 Cassie[14]在 20 世紀(jì) 40 年代修正了楊氏方程。Wenzel 將表面粗糙度的概念引入到潤(rùn)濕性理論中，建立了能定量計(jì)算均勻粗糙表面液滴接觸角的 Wenzel 模型。在 Wenzel 模式下，液滴完全填充粗糙表面的微觀溝槽，增加了水與表面的實(shí)際接觸面積。因此，疏水效應(yīng)被幾何放大

圖 1-1 (a)接觸角θ；(b)前進(jìn)接觸角 和后退接觸角Fig. 1-1 (a) contact angle θ and (b) advancing contact angle and receding contact angle液態(tài)水具有相對(duì)較大的表面張力，主要是由于它的電偶極子。表面可劃分為親水或疏水。水滴會(huì)使表面能較高的表面（如玻璃）變濕，而在表面能較低的表面（如聚四氟乙烯）則傾向于珠狀。如果一個(gè)水滴更多地傾向于附著在其自身上，而不是附著在特定的表面上，那么這個(gè)表面就叫做疏水表面，表面的接觸角大于90°。相反，如果一個(gè)水滴傾向于更多地附著在一個(gè)特定的表面上，而不是附著在它自己身上，那么這個(gè)表面就叫做親水表面，表面的接觸角將小于 90°。水滴完全濕潤(rùn)表面，接觸角則為 0°；而水滴與表面沒有相互作用（沒有潤(rùn)濕），變?yōu)橐粋�(gè)完美的球體（忽略重力），接觸角則為 180°，如圖 1-2 所示[12]。
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ637

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