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    聚苯胺及其衍生物在防腐領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

    2016-04-11 11:02:20張海瑞王紀(jì)孝
    化學(xué)工業(yè)與工程 2016年4期
    關(guān)鍵詞:聚苯胺金屬表面溶解性

    曹 雨,張海瑞,王紀(jì)孝

    金屬已成為現(xiàn)代生產(chǎn)生活中必不可少的材料,具有廣泛的應(yīng)用。在金屬的生產(chǎn)、加工、應(yīng)用過程中普遍伴隨著金屬腐蝕,金屬腐蝕破壞了金屬的優(yōu)良性能,嚴(yán)重限制了金屬的應(yīng)用,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。在發(fā)達(dá)國家每年由于腐蝕引起的經(jīng)濟(jì)損失大約占國民生產(chǎn)總值的3.5%~4.2%[4]。因此,采取有效的金屬防護(hù)方法勢在必行。

    自 1977年 Shirakawa、MacDiamid與 Heeger發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物以來,導(dǎo)電聚合物受到了眾多研究者的關(guān)注,現(xiàn)已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,例如:超級(jí)電容器[5]、生物傳感器[6]、二次電池[7]與金屬防腐[8]等。由于其生產(chǎn)工藝簡單、穩(wěn)定性好、導(dǎo)電率高,聚苯胺(polyaniline,PANI)是研究最多的導(dǎo)電聚合物之一。聚苯胺是由“苯-苯”相連的還原單元與“苯-醌”相連的氧化單元交替出現(xiàn)構(gòu)成的線型高分子[9],其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

    圖1 聚苯胺分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 The molecular structure of PANI

    在圖1中,n表示結(jié)構(gòu)單元數(shù),即聚合度;y(0≤y≤1)為聚苯胺的還原程度。隨著y值的的變化,聚苯胺呈現(xiàn)不同的氧化狀態(tài),當(dāng)y=1.0時(shí),聚苯胺為全苯式完全還原態(tài);當(dāng)y=0.5時(shí),聚苯胺為還原單元數(shù)與氧化單元數(shù)相等的半氧化態(tài);當(dāng)y=0時(shí),聚苯胺為苯-醌交替的完全氧化態(tài),這3種氧化態(tài)之間是可以相互轉(zhuǎn)化的,如圖2所示。

    圖2 聚苯胺的氧化還原過程Fig.2 The redox process of PANI

    1 聚苯胺的防腐機(jī)理

    大量研究表明聚苯胺可以用于金屬防腐,并提出了多種聚苯胺防腐機(jī)理,其中被大家所認(rèn)可的防腐機(jī)理主要有以下3種。

    1.1 屏蔽作用[10-11]

    當(dāng)聚苯胺作為涂層涂覆于金屬表面時(shí),可作為屏蔽層有效地將金屬與腐蝕介質(zhì)隔絕開,起到保護(hù)金屬的作用。Beck[12]曾研究電化學(xué)法合成聚苯胺對(duì)金屬基材的防腐作用,研究結(jié)果表明聚苯胺涂層厚度只有超過1μm才具有防腐性能。因此,聚苯胺涂層的物理屏蔽是聚苯胺具有防腐性能的基礎(chǔ)。

    1.2 鈍化金屬機(jī)理[13]

    聚苯胺可促使在涂層/金屬基材界面上生成一層致密的金屬氧化層,使金屬處于鈍化狀態(tài)。致密鈍化層的生成使聚苯胺具有抗點(diǎn)蝕、抗劃傷等優(yōu)異的防腐性能。聚苯胺通過在不同氧化態(tài)之間的轉(zhuǎn)化,促進(jìn)對(duì)金屬的鈍化作用。當(dāng)處于一定氧化狀態(tài)的聚苯胺與鋼鐵接觸時(shí),聚苯胺能夠促使鐵表面上致密氧化層Fe3O4生成,其自身被還原,隨后空氣或溶液中的氧再氧化聚苯胺提高其氧化態(tài),其過程如圖3所示。

    圖3 聚苯胺對(duì)鐵的鈍化機(jī)理Fig.3 The passivation mechanism of PANI towards steel

    1.3 提高金屬氧化電位[14-15]

    聚苯胺自身可進(jìn)行氧化還原反應(yīng),聚苯胺能夠使金屬基材的氧化電位上升,將金屬的氧化電位穩(wěn)定在鈍化區(qū),大幅度地降低了金屬的溶解速率,對(duì)金屬起到了保護(hù)作用。

    2 聚苯胺的防腐方式

    聚苯胺可有效地防止金屬腐蝕,主要通過3種方式應(yīng)用于防腐:緩蝕劑、聚苯胺涂層與復(fù)合涂層的添加劑。

    2.1 緩蝕劑

    緩蝕劑是指向腐蝕介質(zhì)中加入少量即可有效抑制或防止金屬腐蝕的一類物質(zhì),其分子結(jié)構(gòu)中常含有氮(N)、硫(S)與氧(O)等電負(fù)性較大且可提供孤電子對(duì)的原子。在腐蝕環(huán)境中,緩蝕劑能取代水分或腐蝕離子吸附于金屬表面,使金屬與腐蝕環(huán)境隔絕開,起到抑制金屬腐蝕的目的。因此,緩蝕劑防腐性能的強(qiáng)弱主要取決于緩蝕劑在金屬表面的吸附強(qiáng)度。緩蝕劑在金屬表面吸附強(qiáng)度的主要影響因素有:1)緩蝕劑的分子結(jié)構(gòu)(包括立體結(jié)構(gòu));2)緩蝕劑的芳香性、供體的電荷密度;3)其它功能基團(tuán)的性質(zhì);4)分子的面積(分子的形狀與相對(duì)分子質(zhì)量)。此外,在緩蝕劑分子中,官能團(tuán)NH、—NN—、—CHO、R—OH與RR等的存在可有效提高緩蝕劑在金屬表面的吸附強(qiáng)度。緩蝕劑的優(yōu)點(diǎn)是使用方便,可以應(yīng)用于形狀復(fù)雜管道等的防護(hù);缺點(diǎn)是形成的防護(hù)層較薄且常有缺陷。因此,與常規(guī)的涂層相比,緩蝕劑的防腐效率較低。

    聚苯胺分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)可提供孤對(duì)電子對(duì)的氮原子,能與金屬原子中空的d軌道形成配位鍵,增強(qiáng)聚苯胺與金屬之間的相互作用力,使聚苯胺在金屬上的黏附力增強(qiáng);聚苯胺相對(duì)分子質(zhì)量大,提高了聚苯胺在金屬表面的覆蓋率。因此,聚苯胺可作為緩蝕劑有效地保護(hù)金屬。眾多研究者利用Tafel曲線對(duì)聚苯胺緩蝕劑防腐性能進(jìn)行考察,結(jié)果顯示腐蝕電流(icorr)急劇下降,腐蝕電位(Ecorr)變化較小,表明聚苯胺屬于混合型緩蝕劑[16]。Jeyaprabha等研究了聚苯胺的衍生物聚胺醌緩蝕劑,發(fā)現(xiàn)該緩蝕劑不僅可以吸附于金屬表面保護(hù)金屬,還可以鈍化金屬,進(jìn)一步對(duì)金屬起到保護(hù)作用[17]。

    聚苯胺高分子鏈之間存在氫鍵、電性力及π-π作用力,分子間作用力強(qiáng)。因此,聚苯胺是一種溶解度很小的導(dǎo)電聚合物,這嚴(yán)重限制了其在緩蝕劑中的應(yīng)用。提高聚苯胺溶解性的方法有:1)使用聚苯胺納米材料[18]或使用表面活性劑[19];2)使用聚苯胺衍生物,以減小分子間的相互作用力。當(dāng)衍生物帶有親水基團(tuán)時(shí),更能顯著提高聚苯胺的溶解性。聚苯胺衍生物還可以提高相對(duì)分子質(zhì)量和分子尺寸,有利于提高其在金屬表面的覆蓋率,提高緩蝕效率。常見的可溶性聚苯胺衍生物有:聚二苯基胺[20](10×10-6時(shí),緩蝕效率達(dá) 96%)、聚胺醌[17](1 000×10-6時(shí),緩蝕效率可達(dá) 91%)、聚苯胺-甲醛[21](10×10-6時(shí),緩蝕效率約為94%)與聚鄰氨基苯甲酸[22](60 mg/L時(shí),緩蝕效率約為94%)等;3)降低聚苯胺的相對(duì)分子質(zhì)量,以降低聚苯胺高分子鏈間的作用力與纏繞程度,提高其溶解性[23]。這種方法的缺點(diǎn)是降低了聚苯胺在金屬表面的覆蓋率,可能會(huì)降低緩蝕效率。與高相對(duì)分子質(zhì)量聚苯胺不同,苯胺低聚體主要抑制陽極腐蝕,其緩蝕效率主要取決于低聚體分子鏈的長度與低聚體上官能團(tuán)的位置;4)苯胺與其他苯胺衍生物共聚[24-25],打亂聚苯胺高分子鏈的有序性,降低分子間作用力,提高其溶解性。

    2.2 聚苯胺涂層

    與聚苯胺緩蝕劑相比,聚苯胺涂層解決了聚苯胺溶解性小這一難題,應(yīng)用更廣泛。聚苯胺涂層可以作為物理屏蔽層,有效地把金屬與腐蝕環(huán)境隔離開,保護(hù)金屬基材。大量研究表明聚苯胺還可以在涂層/金屬基材界面上誘導(dǎo)生成致密的金屬氧化物,鈍化金屬基材,進(jìn)一步保護(hù)金屬。

    聚苯胺涂層主要通過電化學(xué)聚合法直接將聚苯胺沉積在金屬基材表面。聚苯胺合成與在金屬上成膜一次完成,制備工藝簡單且成本低廉,可以在復(fù)雜界面上沉積成膜。電化學(xué)合成聚苯胺涂層有以下特點(diǎn):1)電化學(xué)法合成聚苯胺的方法多樣,有恒電位法[26]、恒電流法[27-28]、循環(huán)伏安法[29]等,且影響因素較多,生成的聚苯胺膜的性質(zhì)不穩(wěn)定;2)聚苯胺需在高電位聚合,其性質(zhì)受金屬基材的影響,限制了金屬基材的種類[30];3)電化學(xué)法合成聚苯胺涂層很難用于較大的金屬基材,很難大規(guī)模應(yīng)用,對(duì)金屬基材結(jié)構(gòu)與大小有要求;4)電化學(xué)法生成的聚苯胺涂層孔隙率較大;5)聚苯胺的氧化還原過程(摻雜/脫摻雜過程)伴隨著對(duì)陰離子的進(jìn)入和脫出,對(duì)陰離子從聚苯胺涂層中脫出會(huì)導(dǎo)致涂層的孔隙率提高,提高了腐蝕介質(zhì)在聚苯胺膜中的傳質(zhì)速度,使涂層防護(hù)效率下降。隨著摻雜離子的摻雜/脫摻雜,聚苯胺涂層還會(huì)發(fā)生較大的體積膨脹/收縮,這一過程中會(huì)產(chǎn)生很大的界面應(yīng)力,導(dǎo)致涂層在金屬材料表面的附著力降低,有時(shí)甚至剝落;6)電化學(xué)合成聚苯胺一般在水溶液中進(jìn)行,制得的聚苯胺涂層中含有較多的水分,致密度較低,在干燥過程中,經(jīng)常出現(xiàn)涂層龜裂現(xiàn)象;7)電沉積聚苯胺涂層只在最接近金屬基材表面能形成致密涂層,之后的涂層疏松、致密性差。因此,涂層厚度的增加對(duì)涂層防腐性能的改善較小。這些缺點(diǎn)限制了聚苯胺涂層的大規(guī)?;?,適用于小批量生產(chǎn)。但是電化學(xué)法制得的聚苯胺涂層純度高,其防腐體系與機(jī)理較簡單。因此,電化學(xué)法合成聚苯胺涂層常用于理論研究,考察聚苯胺的防腐機(jī)理。

    導(dǎo)電聚合物涂層還可以通過溶解法制得[31-32]。溶解法是指將聚苯胺溶于溶劑中,之后將其涂覆于金屬基材上,待溶劑揮發(fā)后形成涂層。溶解法對(duì)金屬基材沒有要求,但是制得的聚苯胺涂層附著力差。聚苯胺在一般溶劑中溶解性均很差,可溶解聚苯胺的溶劑價(jià)格昂貴、且毒性大。因此,在聚苯胺防腐應(yīng)用中,很少使用溶解法。

    2.3 聚苯胺復(fù)合涂層

    聚苯胺溶解性差、附著力較差、致密性差且成本比一般有機(jī)涂層高很多。為克服這些缺點(diǎn)可將已制得的聚苯胺與樹脂復(fù)合制備聚苯胺復(fù)合涂層。聚苯胺復(fù)合涂層附著力好、防腐性能佳且成本低。因此,與緩蝕劑、聚苯胺涂層相比,聚苯胺復(fù)合涂層應(yīng)用最為廣泛。一般將含量少于3.0%的聚苯胺以物理混合的方式均勻地分散于有機(jī)涂層中,制得聚苯胺復(fù)合涂層。

    有機(jī)涂層作為物理屏蔽層可有效地使涂層與腐蝕環(huán)境隔絕開,但長期在腐蝕環(huán)境下,有機(jī)涂層的機(jī)械性能、致密性與防腐性能均會(huì)下降。為使涂層能夠長期有效地具有優(yōu)異防腐性能,常向涂層中添加一些無機(jī)添加劑鈍化金屬,這些無機(jī)添加劑常為鉻與鉛等重金屬鹽類,具有毒性與致癌性,對(duì)人體與環(huán)境具有嚴(yán)重的危害。聚苯胺為環(huán)境友好型導(dǎo)電聚合物,穩(wěn)定性好、具有獨(dú)特的防腐機(jī)制,能夠取代重金屬作為有機(jī)涂層的添加劑制備聚苯胺復(fù)合涂層,增強(qiáng)涂層的防腐性能。常見的聚苯胺復(fù)合涂層 有 聚 苯 胺/環(huán) 氧 樹 脂[33-34]、聚 苯 胺/聚 氨酯[35-36]、聚苯胺/丙烯酸酯[37]與聚苯胺/醇酸樹脂[38-39]涂層等。大量文獻(xiàn)報(bào)道表明聚苯胺復(fù)合涂層可以對(duì)金屬基材起到長期有效的保護(hù)作用,Chen等[33]研制的聚苯胺/環(huán)氧樹脂涂層可在室溫下3.5%NaCl溶液中保持優(yōu)異的防腐性能達(dá)150 d。然而,在聚苯胺復(fù)合涂料中常出現(xiàn)聚苯胺團(tuán)聚或分散不均一等現(xiàn)象,大幅度地降低了涂層的致密性,使涂層的防腐性能下降[40-41]。因此,在聚苯胺復(fù)合涂層中解決聚苯胺在有機(jī)涂層中的分散性是關(guān)鍵。

    3 結(jié)論與展望

    1)聚苯胺具有環(huán)境友好性、良好的環(huán)境穩(wěn)定性、抗劃傷與抗點(diǎn)蝕性,可以在涂層/金屬基材界面上誘導(dǎo)生成致密的金屬氧化層,鈍化金屬,在防腐領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

    2)聚苯胺可作為緩蝕劑抑制或防止金屬腐蝕,聚苯胺緩蝕劑可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜管道的防腐,但是因吸附形成的防護(hù)層較薄,存在缺陷,緩蝕效果較弱。聚苯胺的溶解性小嚴(yán)重限制了該應(yīng)用,雖然改善聚苯胺溶解性的方法有很多,但溶解性仍較小,需進(jìn)一步對(duì)聚苯胺的溶解性進(jìn)行改善,使聚苯胺作為緩蝕劑的應(yīng)用更加廣泛。

    3)聚苯胺涂層解決了聚苯胺溶解性差這一問題,但電化學(xué)法合成聚苯胺涂層無法大規(guī)模應(yīng)用且致密性差,溶解法制得的聚苯胺涂層附著力差且成本很高。因此,與聚苯胺復(fù)合涂層相比,聚苯胺涂層防腐性能較差,且成本高,很難大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用。但是,電化學(xué)法合成的聚苯胺涂層純度高,防腐體系及機(jī)理較簡單,對(duì)研究、分析聚苯胺的防腐機(jī)理有重要的意義。

    4)聚苯胺復(fù)合涂層具有很好的防腐性能、無毒無害,成本低,應(yīng)用最為廣泛。但聚苯胺分散性較差是一難題,聚苯胺分散性得以改善將會(huì)大幅度地提高聚苯胺復(fù)合涂層的防腐性能。

    聚苯胺的防腐研究現(xiàn)主要集中于鋼鐵上,其他金屬基材的防腐研究較少??梢赃M(jìn)一步拓展到其他金屬,例如鎂、鋁、及其合金等。

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