電化學(xué)合成聚苯胺涂層防護(hù)性能的研究

劉　東, 吳振宇，常偉曉，李巖巖，丁一剛

(1 武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢430073;2 武漢工程大學(xué) 綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢430073)

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電化學(xué)合成聚苯胺涂層防護(hù)性能的研究

劉東1,2, 吳振宇1，常偉曉1，李巖巖1，丁一剛2,*

(1 武漢工程大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢430073;2 武漢工程大學(xué) 綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢430073)

摘要采用循環(huán)伏安法在Q235鋼表面電化學(xué)合成了聚苯胺涂層，通過(guò)極化曲線評(píng)價(jià)了掃描方式、電位區(qū)間、掃描速率、循環(huán)次數(shù)等電聚合參數(shù)對(duì)聚苯胺涂層在Q235鋼耐腐蝕性能方面的影響,結(jié)果表明：合成條件對(duì)聚苯胺涂層的防護(hù)性能影響顯著.在0.1 mol/L 苯胺 + 0.3 mol/L草酸溶液中，循環(huán)電位區(qū)間- 0.5～1.6 V，掃速10 mV/s，連續(xù)掃描5個(gè)循環(huán)，可獲得最佳防護(hù)性能.該涂層在3.5 % NaCl溶液中對(duì)Q235鋼具有較好的保護(hù)作用.掃描電鏡觀察表明：聚苯胺膜具有顆粒狀纖維狀結(jié)構(gòu).

關(guān)鍵詞Q235鋼；聚苯胺薄涂層; 循環(huán)伏安; 電化學(xué)合成; 極化曲線；耐腐蝕

Study of the Electrochemical Synthesis Conditions on Anti-corrosion Performance of Polyaniline Coating

LiuDong1, 2,WuZhenyu1,ChangWeixiao1,LiYanyan1,DingYigang2,*

(1 School of Chemistry and Environmental Engineering,Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China;2 Key Lab for Green Chemical Process of Ministry of Education,Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China)

AbstractPolyaniline (PANI) coating was synthesized on Q235 steel by cyclic voltammetry (CV). The effect of electro-polymerization parameters (scan method, potential range, scan rate and cycle number) on anti-corrosion resistance of PANI for Q235 steel were studied from polarization curves. The results showed that synthetic conditions significantly affected the anti-corrosion resistance of PANI. The best protection performance could be obtained by CV between -0.5 and 1.6 V (SCE) with a scan rate of 10 mV/s for 5 cycles in a solution containing 0.3 mol/L oxalic acid and 0.1 mol/L aniline. The PANI coating demonstrated good protective performance in 3.5% sodium chloride solutions. Scanning electron microscopy showed that PANI had granular and fibrous structure.

KeywordsQ235 steel; polyaniline coating; cyclic voltammetry; electrochemical synthesis; polarization curves; anti-corrosion

導(dǎo)電高分子因具有獨(dú)特的電磁和光學(xué)性能備受關(guān)注.由于導(dǎo)電高分子可構(gòu)成一種物理屏障以抵御腐蝕溶液的侵蝕，覆蓋在金屬表面的聚合物膜能改變底層金屬基體的電勢(shì)減緩腐蝕，故被廣泛應(yīng)用于金屬的防護(hù).聚苯胺(PANI)是研究最多的一類導(dǎo)電聚合物，它能通過(guò)苯胺在無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸中發(fā)生聚合反應(yīng)制成，其制備方法包括化學(xué)聚合和電化學(xué)聚合，其中電化學(xué)法可一步完成高聚物的聚合、摻雜和成膜，克服了化學(xué)法成膜難的問(wèn)題，簡(jiǎn)單易行.

目前，已在不銹鋼表面電化學(xué)合成了PANI和摻雜態(tài)的PANI[1-4].由于低碳鋼的自腐蝕電位值偏小且較不銹鋼更易被氧化，故表面不易進(jìn)行導(dǎo)電聚合物的電沉積，故對(duì)于在低碳鋼上電化學(xué)聚合聚苯胺的研究相對(duì)較少.電化學(xué)聚合反應(yīng)相關(guān)的電流-電位圖表明：在聚合物單體產(chǎn)生之前金屬基體已發(fā)生溶解反應(yīng)，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物在鐵(或其他易氧化的金屬)表面的沉積，必須控制條件使金屬在聚合過(guò)程中不溶解或溶解很小[5,6,8,9,11,13].電化學(xué)沉積條件如沉積溶液、工藝參數(shù)和沉積方法均對(duì)涂層的性能有較大的影響[6-9].本文以草酸作為質(zhì)子酸，運(yùn)用循環(huán)伏安法在Q235鋼表面電化學(xué)合成了聚苯胺，系統(tǒng)地研究了合成條件如掃描方式、電位區(qū)間、掃描速率、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)對(duì)聚苯胺膜在Q235鋼耐腐蝕性能方面的影響.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料為Q235鋼(購(gòu)于江蘇川茂金屬材料有限公司)，化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)為：C 0.22%, Mn 1.4%, Si 0.35%, S 0.050%, P 0.045%，F(xiàn)e余量.依次用400目、600目、800目、1200目金相砂紙打磨光亮并無(wú)明顯劃痕.首先用去離子水沖洗干凈，再用丙酮棉球擦拭除油，最后用乙醇棉球擦拭干凈，吹干備用.

電化學(xué)工作站(武漢科思特CS350)，傅里葉紅外光譜儀(NEXUS 470智能型, 美國(guó)尼高力公司, 掃描范圍為4000 ～ 400 cm-1)，掃描電子顯微鏡( JSM5510LV型, 日本電子公司, 測(cè)試電壓為20 kV).

1.2聚苯胺膜的制備

采用傳統(tǒng)的三電極體系電化學(xué)聚合苯胺膜，工作電極為面積1cm2的Q235鋼，輔助電極為直徑6 mm的金圓盤(pán)電極(使用前須用氧化鋁粉拋光并用乙醇棉球擦拭干凈)，參比電極為飽和甘汞電極(SCE).基本聚合液組成為0.1 mol/L苯胺 + 0.3 mol/L草酸.采用電化學(xué)工作站循環(huán)伏安法制備聚苯胺，聚合反應(yīng)溫度控制在25 ℃.聚合反應(yīng)結(jié)束后取出電極，用去離子水將電極表面沖洗干凈并用冷風(fēng)吹干備用.研究掃描方式、電位區(qū)間、循環(huán)次數(shù)、掃描速率對(duì)聚苯胺防護(hù)性能的影響.

1.3性能測(cè)試

用電化學(xué)工作站通過(guò)測(cè)量極化曲線確定其腐蝕電位和腐蝕電流密度，以反映聚苯胺對(duì)Q235鋼的防護(hù)性能，以260型鉑電極為輔助電極、飽和甘汞電極為參比電極.實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃，工作電極在3.5 %的NaCl液中浸泡30 min后開(kāi)始測(cè)試，極化曲線掃描電位范圍-200～+200 mV，掃描速率0.5 mV/s.

2結(jié)果與討論

2.1循環(huán)伏安法合成聚苯胺

分別在0.3 mol/L草酸和0.3 mol/L草酸+0.3 mol/L苯胺溶液中，采用循環(huán)伏安法進(jìn)行電化學(xué)聚合，掃描范圍為-0.5～1.6 V (SCE)，掃描速率10 mV/s，其循環(huán)伏安曲線見(jiàn)圖1.由圖1a可知：在草酸溶液中掃描第1圈時(shí)，在-0.28V處出現(xiàn)了峰A，由于Q235鋼表面發(fā)生了鈍化溶解；隨著掃描電位的增加，電流逐漸變小，基體表面形成了一層保護(hù)膜，減緩了金屬溶解，此時(shí)膜的主要成分是不溶的Fe(Ⅱ)草酸鹽.當(dāng)掃描電位達(dá)高于0.5 V時(shí)，金屬表面的一部分Fe(Ⅱ)草酸鹽被氧化成可溶性的Fe(Ⅲ)草酸鹽，故在0.5～1.0 V出現(xiàn)一個(gè)拱型的氧化峰.在Fe(Ⅲ)草酸鹽溶解的同時(shí)，Q235鋼表面會(huì)有導(dǎo)電性弱的n-Fe2O3[8,9]生成.當(dāng)電位高于1.0 V時(shí)溶液中有氧氣析出，此時(shí)電流會(huì)隨著電位的增加而增加并一直持續(xù)到整圈掃描的前半圈結(jié)束，并且當(dāng)電位高于1.5V時(shí)出現(xiàn)了金屬的過(guò)鈍化區(qū)域B.在電位回掃階段，n-Fe2O3會(huì)發(fā)生還原，并重新生成Fe(Ⅱ)草酸鹽，因此在0.2V出現(xiàn)了與Fe(Ⅲ)還原過(guò)程相對(duì)應(yīng)的氧化峰C[6,9].在Fe(Ⅲ)的還原過(guò)程中，由于C2O42-可強(qiáng)烈附在Q235鋼表面活潑的部位，重新生成不溶的Fe(Ⅱ)草酸鹽并抑制Q235鋼基體的溶解，故在第2圈掃描開(kāi)始階段并未出現(xiàn)金屬的鈍化溶解峰A[10].隨后第2圈剩余階段的掃描圖形與第1圈的圖形基本一致.

當(dāng)溶液中加入苯胺后，由圖1b可知，第1圈的圖形與未加入苯胺的圖形相似，均出現(xiàn)了A、B、C 3個(gè)特征峰，表明苯胺在第1圈時(shí)聚合能力弱，電極反應(yīng)以金屬的鈍化、溶解、還原為主.由于苯胺的加入導(dǎo)致溶液體系中的pH值變大，所有的峰電流均變小.掃描第2圈時(shí)，在0.2 V和0.3 V附近的位置出現(xiàn)了苯胺的一對(duì)氧化還原峰，表明聚合反應(yīng)在第2圈開(kāi)始進(jìn)行，同時(shí)也表明聚合反應(yīng)是發(fā)生在鈍化的金屬表面，而不是在金屬基體表面直接進(jìn)行.當(dāng)電位高于0.5 V時(shí)，F(xiàn)e(Ⅱ)的氧化電流減弱，與此同時(shí)Fe(Ⅲ)的還原電流也減弱，這是由于Q235鋼表面的聚合反應(yīng)減弱了Fe(Ⅱ)氧化和Fe(Ⅲ)還原過(guò)程.

a) 0.3 mol/L草酸溶液; b) 0.3 mol/L草酸+0.1 mol/L苯胺溶液圖1　Q235電極在不同溶液中的第1圈和第2圈的循環(huán)伏安掃描圖Fig.1　First and second scans of cyclic voltammograms of Q235 electrode

2.2在不同電位區(qū)間1+4掃描

由圖1b可知，苯胺在第2圈時(shí)發(fā)生聚合反應(yīng)，并在高于0.2 V的電位條件下開(kāi)始聚合，當(dāng)電位低于0.2 V時(shí)發(fā)生Fe(Ⅲ)的還原，當(dāng)電位高于1.0 V時(shí)有氧氣析出，F(xiàn)e(Ⅲ)的還原和O2的生成可能會(huì)影響金屬表面聚苯胺的合成及其耐腐蝕性能.故將通過(guò)控制單一變量來(lái)分別研究在不同的下限電位和上限電位的條件下在Q235鋼表面合成聚苯胺，并在3.5% NaCl溶液中進(jìn)行防護(hù)性能測(cè)試.用循環(huán)伏安法合成聚苯胺時(shí)，Camalet[6,9]、Narayanasamy[11]、王華[12]采用首先在第1圈較寬的電位下進(jìn)行掃描產(chǎn)生聚苯胺的聚合單體，接著降低高電位防止聚合鏈的過(guò)氧化，隨后進(jìn)行連續(xù)掃描.本實(shí)驗(yàn)中聚苯胺的合成首先采用1+4的方法，即循環(huán)伏安第1圈在- 0.5 ～ 1.6 V(SCE)的范圍內(nèi)以10 mV/s的速率進(jìn)行掃描.第1圈掃描結(jié)束后立即在選定的電位區(qū)間以10 mv/s的速率連續(xù)掃描4圈.

a) Q235在不同下限電位的第5圈循環(huán)伏安曲線； b)不同下限電位制備的PANI的腐蝕電流密度圖2　在不同下限電位Q235的第5圈循環(huán)伏安曲線和PANI的腐蝕電流密度Fig.2　Fifth cyclic voltammograms of the Q235 electrode and corrosion current densities of PANI under different threshold potential

a) Q235在不同上限電位的第5圈循環(huán)伏安曲線；b) 不同上限電位制備的PANI的腐蝕電流密度圖3 在不同上限電位Q235的第5圈循環(huán)伏安曲線和PANI的腐蝕電流密度Fig.3　Fifth cyclic voltammograms of the Q235 electrode and corrosion current densities of PANI under different maximum potential

圖2a和圖2b分別是在不同下限電位條件下在0.1 mol/L 苯胺+0.3 mol/L草酸溶液中合成聚苯胺第5圈的循環(huán)伏安圖和在3.5% NaCl溶液中通過(guò)擬合極化曲線得到的腐蝕電流密度柱狀圖.由圖2a和圖2b中可見(jiàn)，0.2～0.9V，0～0.9V，-0.2～0.9 V，-0.3～0.9 V，-0.5～0.9 V這5個(gè)電位區(qū)間均出現(xiàn)了聚苯胺的三對(duì)氧化還原峰，隨著下限電位的降低，氧化還原峰電流增加，聚合反應(yīng)速率加快，聚苯胺對(duì)Q235鋼的防護(hù)性能增強(qiáng).圖3a和圖3b分別是在不同上限電位下合成聚苯胺第5圈的循環(huán)伏安圖和在3.5%NaCl溶液中的腐蝕電流密度柱狀圖.由圖3a可見(jiàn)，在0.2～0.8V電位區(qū)間時(shí)，幾乎沒(méi)有成對(duì)的聚苯胺的氧化還原峰，當(dāng)上限電位高于0.8 V，盡管均出現(xiàn)了明顯的聚苯胺氧化還原峰，但峰電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖2a，且從圖3b可見(jiàn)，在不同的上限電位下合成聚苯胺對(duì)Q235鋼的耐腐蝕性能無(wú)明顯影響，均無(wú)明顯耐腐蝕效果.對(duì)比圖2a和圖3a可見(jiàn)，當(dāng)下限電位小于0.2 V時(shí)，出現(xiàn)了明顯Fe(Ⅲ)的氧化峰，峰電流的大小和峰寬分別隨著下限電位的降低依次降低和增加.綜合圖2和圖3可知：Fe(Ⅲ)的還原過(guò)程在一定程度上能提高表面聚苯胺對(duì)Q235鋼基體的防護(hù)性能，較低的下限電位有助于提高Q235鋼基體的耐腐蝕性能，而上限電位對(duì)Q235鋼基體的耐腐蝕性能影響不大.

2.3連續(xù)掃描五圈

采用分段掃描的方法雖然可以在不銹鋼上得到防護(hù)性能優(yōu)良的聚苯胺膜[1,4,12]，但在低碳鋼上合成的聚苯胺膜防護(hù)性能一般甚至沒(méi)有防護(hù)效果.Karpakam通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明連續(xù)的循環(huán)伏安掃描能夠合成對(duì)鋼具有防護(hù)效果的聚苯胺膜[13].在-0.5～0.9 V，-0.5～1.0 V，-0.5～1.2 V，-0.5～1.4 V，-0.5～1.6 V，-0.5～1.8 V 這6個(gè)電位區(qū)間以10 mv/s的速率連續(xù)掃描5圈，并研究了PANI涂層在3.5%NaCl溶液中的防護(hù)性能，其極化曲線和數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖4和表1.

圖4　不同電位區(qū)間制備的PANI在3.5% NaCl溶液中的極化曲線Fig.4　Polarization curves of PANI synthesized with differentpotential range in 3.5% NaCl solution

不同電位區(qū)間制備的PANI在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，由表1可知，上限電位在0.9 V時(shí)，Q235鋼的自腐蝕電位低于空白及其他上限電位下的腐蝕電位，這是由于上限電位過(guò)低，聚合反應(yīng)能力較弱，Q235鋼表面的主要產(chǎn)物為Fe(Ⅱ)草酸鹽，導(dǎo)致其腐蝕電位降低.當(dāng)上限電位為1.0 V時(shí)，腐蝕電位位于blank(空白)和-0.5～ 0.9 V腐蝕電位之間.當(dāng)上限電位位于1.0～1.8V時(shí)，腐蝕電位隨著上限電位的增加而減小，腐蝕電流密度逐漸減小并穩(wěn)定在一個(gè)較低數(shù)值，其緩蝕率可達(dá)85.4%，表明此時(shí)PANI涂層具有較好的防護(hù)效果.不同于1+4的制備方法，采用連續(xù)掃描的制備方法并選取較高的上限電位更有利于提高聚苯胺涂層的防護(hù)性能，但當(dāng)上限電位高于1.0 V時(shí)會(huì)伴有氧氣的產(chǎn)生，制約聚苯胺涂層防護(hù)性能的進(jìn)一步提高.

表1　不同電位區(qū)間制備的PANI在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)參數(shù)

2.3.1掃描速率的影響

掃描速率能影響氧化還原過(guò)程的峰電流和聚合反應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而影響聚苯胺的形成和防護(hù)性能.從表1結(jié)果可知在-0.5～1.6 V以10 mV/ s連續(xù)掃描5圈時(shí)防護(hù)效果較好，故在該電位區(qū)間以不同的掃描速率連續(xù)掃描5圈，研究掃描速率對(duì)聚苯胺防護(hù)性能的影響，其極化曲線和數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖5和表2.

從圖5可以看出隨著掃描速率的增加，Q235鋼的腐蝕電位正移，腐蝕電流密度逐漸增大.這是因?yàn)閽呙杷俾蔬^(guò)快導(dǎo)致聚苯胺的沉積速率加快，聚苯胺與金屬表面的結(jié)合能力減弱，聚苯胺的防護(hù)性能降低，因此較低的掃描速率有利于聚苯胺在電極表面沉積.當(dāng)掃描速率為5 mV/s時(shí)，此時(shí)聚合反應(yīng)速率慢且時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，聚合液中的H+可能會(huì)侵蝕聚苯胺膜和金屬基體反而使其防護(hù)性能減弱.因此掃描速率為10 mV/s時(shí)，制備的PANI防護(hù)效果最好.

lg[i/(A·cm-2)]圖5　不同掃描速率制備的PANI在3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.5　Polarization curves of PANI synthesized withdifferent scan rate in 3.5% NaCl solution

Tab.2Electrochemical parameters of PANI synthesized with different scan rate in 3.5% NaCl solution

掃描速率/(mV·s-1)E/VI/(μA·cm-2)空白-0.47531.65-0.6575.7210-0.6604.6320-0.6217.2550-0.58320.6

2.3.2掃描圈數(shù)的選擇

選取-0.5～1.6 V這個(gè)電位區(qū)間以10 mV/s的掃描速率，分別連續(xù)掃描3、5、7、9圈，以研究掃描圈數(shù)對(duì)聚苯胺防護(hù)性能的影響，其極化曲線和數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖6和表3.由表3可知，當(dāng)掃描圈數(shù)為3、5、7、9時(shí)，腐蝕電流密度先降后升，在第5圈時(shí)腐蝕電流密度達(dá)到最小值，此時(shí)聚苯胺膜對(duì)Q235鋼的防護(hù)性能最好，之后隨著掃描圈數(shù)的增加防護(hù)性能減弱.而腐蝕電位隨著聚苯胺聚合的圈數(shù)增加而升高并趨于穩(wěn)定.當(dāng)掃描圈數(shù)超過(guò)5圈時(shí)，Q235鋼的表面的產(chǎn)生了聚苯胺顆粒并伴有脫落的情況發(fā)生可能會(huì)導(dǎo)致了聚苯胺膜的厚度不均勻，可能使腐蝕電流密度增加.

lg[i/(A·cm-2)]圖6　不同掃描圈數(shù)制備的PANI在3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.6　Polarization curves of PANI synthesized with different cycles in 3.5% NaCl solution

Tab.3Electrochemical parameters of PANI with different cycles in 3.5% NaCl solution

圈數(shù)E/VI/(μA·cm-2)空白-0.475631.603圈-0.593616.305圈-0.65974.637圈-0.65916.219圈-0.66028.21

2.4聚苯胺的表征

圖7是在-0.5～1.6 V電位區(qū)間以10 mV/s連續(xù)掃描5圈時(shí)Q235鋼表面PANI膜的紅外譜圖.3414 cm-1為PANI中N-H鍵伸縮振動(dòng)，2912 cm-1為亞甲基伸縮振動(dòng)，1653 cm-1為PANI中摻雜草酸鹽的C=O振動(dòng)，1490 cm-1為PANI中苯式單元特征吸收峰，1317 cm-1為C-N鍵的伸縮振動(dòng)，800 ～750 cm-1為苯環(huán)上1、3取代特征峰[9].

σ/cm-1圖7　聚苯胺涂層紅外譜圖 Fig.7　IR image of PANI

圖8是最優(yōu)條件下在Q235鋼表面合成PANI的掃描電鏡圖，由圖8可見(jiàn)，此條件下合成的聚苯胺為顆粒狀纖維，排列較致密，但存在一定微孔結(jié)構(gòu)，這是由于在電化學(xué)聚合過(guò)程中產(chǎn)生的氧氣引起的.

圖8　聚苯胺掃描電鏡圖Fig.8　SEM image of PANI

3結(jié)語(yǔ)

在Q235鋼表面用循環(huán)伏安法合成了聚苯胺涂層，合適的條件能顯著提高涂層在3.5 %NaCl溶液中對(duì)Q235鋼的防護(hù)性能.在循環(huán)伏安法掃描過(guò)程中，掃描方式、電位區(qū)間、掃描速率、掃描圈數(shù)等條件對(duì)Q235鋼表面聚苯胺涂層的合成和耐腐蝕性能均有較大的影響.最佳工藝條件為：在0.1 mol/L苯胺 + 0.3 mol/L草酸溶液中，循環(huán)電位區(qū)間-0.5～1.6 V，掃速10 mV/s，連續(xù)掃描5個(gè)循環(huán).該涂層在3.5 % NaCl溶液中對(duì)Q235鋼具有較強(qiáng)的防護(hù)作用.紅外和掃描電鏡觀察結(jié)果表明涂層為顆粒纖維狀的聚苯胺.

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中圖分類號(hào)TG174.46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1672-4321(2016)01-0023-06

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51401150)；油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(PLN1115)

作者簡(jiǎn)介劉東(1980-), 男，副教授，博士，研究方向：材料腐蝕與防護(hù)，E-mail: liudong1980@gmail.com

收稿日期2015-09-09 *通訊作者丁一剛(1963-)，男，教授，博士，研究方向：材料腐蝕與防護(hù)，E-mail: dygzhangli@163.com.