聚苯胺雙層膜防止鋼片腐蝕問題探索

劉 飏

(三門峽職業技術學院 ,河南三門峽 472000)

“腐蝕”是金屬與周圍環境發生反應而造成材料破壞或惡化的行為,引起金屬腐蝕的反應條件主要是系統發生電子轉移的氧化還原反應,而且金屬腐蝕的反應速率會受環境溫度、空氣中的氧氣量、水分、濕氣與電解質濃度的影響。自然界中金屬的腐蝕是屬于電化學的侵蝕,這是因為金屬的自由電子在與空氣的接觸下造成電位差所致?！案g”不僅會造成材料的損壞,還會增加成本負擔,而且腐蝕的成本要比所有火災、洪水、龍卷風、地震所造成經濟損失來得大,因此就經濟考慮及設備的安全性而言,防蝕的工作是相當必要的。關于鐵金屬材料的防腐蝕方法很多,例如:表面處理、電鍍、腐蝕抑制劑、電氣防腐、熔射及涂裝等,以上均為在表面上覆蓋一層保護膜來增加抗腐蝕能力,其中以涂裝及電鍍為最廣泛的防蝕方法。涂裝主要是在金屬材料的表層形成均勻皮膜,以隔絕空氣與水氣引起生銹的因子,而達到防蝕的目的。然而傳統的防銹大多是以含有重金屬 (Cr6+、Pb、Sr)的物質作為底漆防銹,會造成環境的污染,同時也被證實會致癌及引起其它的公害疾病,而逐漸被禁用。

1 聚苯胺的防腐蝕研究

聚苯胺發現至今已有一百年以上歷史,當時聚苯胺被作為染色劑使用,俗名稱為苯胺黑 (aniline black)。當時的化學家已發現用電化學方法可聚合成聚苯胺,但當時的化學家仍認為以傳統化學方法所得到的聚苯胺才為真正聚苯胺。直到鑒定儀器陸續問世,才證實這兩種方法所合成的化合物屬同一物質。聚苯胺在不同的環境下擁有不同的型態與性質,因此,也提高了應用價值。

2 聚苯胺防銹機制

使用電聚合的方法于酸性電解液中,將苯胺電聚合于陽極的工作電極 (金屬基材)上,聚苯胺能附著于工作電極表面,因聚苯胺具有氧化還原催化的性質,所以半氧化還原態的聚苯胺催化鐵,使鐵氧化成亞鐵離子(Fe2+);而本身則還原成還原態的聚苯胺。而空氣中的氧和水還原產生氫氧根離子,此時氫氧根離子與亞鐵離子接觸后,使亞鐵離子氧化成三氧化二鐵(Fe2O3)的惰性保護層來覆蓋孔洞。避免了沒有聚苯胺附著的孔洞發生腐蝕,同時還原態的聚苯胺也可借著空氣中氧和水的還原反應再氧化成半氧化還原態的聚苯胺,如此循環下去,避免了銹蝕的發生。

3 聚苯胺防銹效能的提升

聚苯胺的電化學聚合行為決定于電解質的本質。聚苯胺的聚合速率,隨氫質子的增加而提高。研究中發現,若在含有磷酸鹽類的電解液中電聚合聚苯胺,能預先在鐵電極表面產生一層磷酸鹽類的惰性保護層后,再電聚合上聚苯胺,因而提升其防銹效能,當電極在陽極氧化的鈍化過程中,帶負電荷的磷酸根擴散于陽極,于鐵電極的表面形成磷酸鹽類的混合物;若鐵電極的表面不易氧化的部分在陽極鈍化過程中,產生 FeHPO4和 Fe(H2PO4)2難溶性鹽類,而鐵電極的表面若為易氧化的部分,在陽極鈍化過程中,即產生 Fe(H2PO4)2的可溶性鹽類。在環境的侵蝕下,當外層的聚苯胺失去防銹能力后,立即侵蝕磷酸鹽類的惰性保護層,此時,可溶性的 Fe(H2PO4)2溶解后,Fe2+氧化成 Fe2O3的惰性保護層以避免腐蝕反應的進行。電聚合聚苯胺于金屬表面的防銹效果已有專利授權保護,但聚苯胺商業化的防銹價值卻有待探討與研究。電聚合聚苯胺于金屬表面的附著力測試結果普遍不佳,所以提高聚苯胺的附著力亦能提高聚苯胺抗腐蝕的實用性。Jun Yano推測 PPDT能強力吸附于鐵表面;而另一端擁有類似苯胺的官能基能夠再和聚苯胺鍵結合。多一層 PPDT膜保護鐵,能夠防止水和氧的侵蝕而有更佳的抗腐蝕效果。因此電聚合聚苯/PPDT膜于鐵表面上,可提升聚苯胺的防銹效果。

4 短時間 PPDT/PAN I雙層膜聚合結果

固定電壓 1.0V,電聚合 PPDT1 0、1 5、30、60 min后,接著再同時將陰、陽兩電極浸于磷酸電解液中 ,電聚合 PAN I時間為 10、15、30、60 min后 ,做電化學分析。

由圖1可更清楚看出隨著電聚合時間增加,其腐蝕電位值也隨著增加,而由圖2可得知腐蝕電流密度值隨電聚合時間增加而遞減,當電聚合時間為60/60 min腐蝕電流密度值最小,隨著電聚合時間增加,其腐蝕電阻值也隨著增加,電聚合 60/60 min的腐蝕速率最小,為 0.41 mm/a,因此可判斷出電聚合時間 60/60 min的防腐蝕效果最佳;鹽霧測試的時間隨著電聚合時間增加而有增加的趨勢,雖然鹽霧時間隨著電聚合時間增加有增加的趨勢,但此鹽霧時間均小于 1 h,對于應用于防銹方面,不甚理想。電聚合 PAN I時間為 10/10、15/15 min時,在鐵片表面發現有許多裂縫產生,可能因為電聚合聚苯胺后的樣品經過烘箱烘干后,會使得聚苯胺膜呈卷曲狀,由此推測可能短時間聚合無法有效的使 PPDT、鐵片與 PAN I間形成完全的鍵結,因此有許多裂縫產生;電聚合 30/30 min在鐵片表面的裂縫變少了,因此推測隨電聚合時間增加,能電聚合出均勻且更為緊密的 PAN I,且鐵片表面的孔洞也變少,因此可推斷出電聚合時間更長的話,會有更佳的保護能力,則防銹能力應有大幅度的提升。

圖1 不同電聚合 PPDT/PAN I時間所對應的腐蝕電位圖

圖2 不同電聚合 PPDT/PAN I時間所對應的腐蝕電流密度

5 結論

電聚合 PPDT/PAN I雙層膜時間為 6/24 h,其腐蝕電位值最大,為 -0.178 V,腐蝕速率為 0.405 mm/a,附著力測試為 3 B等級 (＜5%～15%脫落),而硬度測試則為 7 H。