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李楊，王立達(dá)，劉責(zé)昌
（大連理工大學(xué)化工與環(huán)境生命學(xué)部，遼寧 大連116023）
摘要；對(duì)鋁基進(jìn)行恒電流陽(yáng)極氧化后，采用正辛基三乙氧基硅烷化學(xué)改性，制得超疏水膜。采用接觸角測(cè)試儀，掃描電鏡、紅外光譜儀，電化學(xué)工作站等，研究了所得超硫水膜的靜態(tài)接觸角，表面形貌，結(jié)構(gòu)廈耐蝕性．結(jié)果表明，經(jīng)陽(yáng)極氧化后，鋁基構(gòu)建了粗糙的微納米結(jié)構(gòu)，再硅境他處理后，鋁基表面的疏啦性增強(qiáng)，靜態(tài)接觸角大干1500。超疏水膜使鋁在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的Na0溶液中的自腐蝕電位正極0.ll V，腐蝕電流密度降低4個(gè)數(shù)量級(jí)，有效地提高了鋁的耐蝕性
關(guān)鍵詞：鋁；陽(yáng)極氧化，磕烷，超疏水性；耐蝕性
中圖分類(lèi)號(hào)： TG174A6，TQ153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：10014 - 227X f2012105 - 0034 - 03
1前言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋁及其臺(tái)金困密度低、比強(qiáng)高、導(dǎo)熱導(dǎo)電能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[1]，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和海工項(xiàng)目中。在實(shí)際應(yīng)用中,鋁及其合金的腐蝕問(wèn)題也不容忽視[2]。表面改性是提高金屬耐蝕性的一條有效途徑。受仿生學(xué)的啟發(fā)，超疏水表面的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能引起了科學(xué)界廣泛的興趣。制各超疏水表面需要同時(shí)滿足構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)和表面改性的要求[3]。研究人員己成功采用多種方法制得鋁基超疏水表面，如電化學(xué)沉積法[4-7]、陽(yáng)極氧化法[8-10]、化學(xué)刻蝕法[11-12]等。
本文先對(duì)鋁基體進(jìn)行陽(yáng)極氧化以構(gòu)建粗糙的微納米結(jié)構(gòu)，再用正辛基三己氧基硅烷處理得到超疏水表面。研究了鋁基超疏水表面的靜態(tài)接觸角，表面形貌、結(jié)構(gòu)等性能，用電化學(xué)法研究了其在3.5% NaCl溶液中的耐蝕性，以探索一條高效無(wú)毒、經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的防腐途徑。
2實(shí)驗(yàn)
2.1超琉水表面的制備
2. l .l 基體預(yù)處理
選用2．℃mx 2.0 cm×0.3 mm的純鋁片(純度為99 6%)為基體，依次用800#至1500#的砂紙打磨后，用無(wú)水乙醇超聲清洗1IO min，用去離子水沖洗，吹風(fēng)機(jī)吹干后備用。
2. 1 .2 陽(yáng)極氧化
以預(yù)處理過(guò)的鋁片作陽(yáng)極，碳鋼片作陰極，在15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）硫酸溶液中，在O.Ol A/cm2的電流密度下陽(yáng)極氧化2h，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
2 1.3 硅烷化處理
室溫下，以無(wú)水乙醇作溶劑，配制體積分?jǐn)?shù)為4%的正辛基三乙氧基硅烷溶液，充分?jǐn)嚢韬蠓胖?4 b，使其充分水解。將經(jīng)陽(yáng)極氧化的鋁片放入已充分永解的硅烷醇溶液中浸泡0.5 h后，取出并立即放入120 ℃的烘箱中烘烤2h。
2．2性能測(cè)試
采用OCAH200型接觸角測(cè)試儀(德國(guó)DataphyscicsInstruments GmbH)測(cè)定硅烷膜的接觸角；采用Nicolet470型博里葉紅外反射光譜儀(美國(guó)熱電公司，F(xiàn)T-IR)分析硅烷膜的鍵結(jié)構(gòu)；采用JSM-6360LV型電子顯微鏡(日本電子公司，SEM)觀察表面形貌。
采用CS300電化學(xué)工作站（華中科技大學(xué)）測(cè)定不同試樣(2 cm×2 cm)的極化曲線(Tafel)，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電報(bào)(SCE)為參比電極，電解液為3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Na0溶液，掃描速率為2 mV/s:采用283A恒電位儀（美國(guó)普林斯頓公司）和1025頻響儀（美國(guó)普林斯頓公司）對(duì)不同試樣進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，電解液為3.5% Na0溶液，掃描頻率范圍為102-～lO5 HZ，施加10 mV的正弦電位擾動(dòng)。采用Zsimpwin軟件(美國(guó)EChem Sofware)擬合分析電化學(xué)阻抗譜。
3結(jié)果與討論
3.1裹面照片殛接觸角
圖2為鋁基超疏水表面照片及其接觸角。對(duì)鋁基體陽(yáng)極氧化再正辛基三乙氧基硅烷處理后，鋁基表面顯示出超疏水性，水滴在其表面的靜態(tài)接觸角高達(dá)1600，試樣傾斜時(shí)水滴迅速滾落，表面無(wú)殘余液滴。
3.2表面形貌
鋁基超疏水表面的形貌如圖3所示。對(duì)鋁基體陽(yáng)極氧化再正辛基三乙氧基硅烷處理后，鋁基表面產(chǎn)生了許多淘壑，形成不規(guī)則的粗糙結(jié)構(gòu)，從放大的表面結(jié)構(gòu)圖可以看到，鋁基表面分布著許多細(xì)小的不規(guī)則孔狀結(jié)構(gòu)，這在鋁基的超疏水性能方面起重要作用。
3.3紅外光譜分析
采用紅外光譜進(jìn)一步分析鋁基超疏水表面的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，結(jié)果見(jiàn)圖4。曲線在2 932 cm-1和2 861 cm-l處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)了亞甲基不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)vas (CH2)和對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)vs (CH2)吸收；1 465cm-1處則對(duì)應(yīng)亞甲基面內(nèi)變形振動(dòng)δ (CH2)吸收峰；1 109 cm-1處對(duì)應(yīng)Si-O-Si不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。這說(shuō)明經(jīng)硅烷化處理后，正辛基三乙氧基硅烷通過(guò)水解和縮景的方式在陽(yáng)極氧化鋁表面形成自組裝膜，硅烷所具有的疏水基團(tuán)是構(gòu)成鋁基低自由能表面的關(guān)鍵。
3.4耐蝕性
3. 4 .1 Tafel曲線
不同試樣在3.5% NaCl溶液中的TafeI曲線見(jiàn)圖5，通過(guò)Tafel直線外推法計(jì)算得到的自腐蝕電位(φcorr)和,腐蝕電流密度(φcorr)如表l所示。從表1可知，與未處理試樣相比，陽(yáng)極氧化后鋁片的φcorr正移了0.06 V，腐蝕電流密度降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明陽(yáng)極氧化膜的存在有效抑制了鋁的腐蝕過(guò)程。與僅陽(yáng)極氧化處理的試樣相比，對(duì)鋁片進(jìn)一步構(gòu)造超疏水表面后，φcorr又正移了0.05V，jcorr進(jìn)一步降低近2個(gè)數(shù)量級(jí)。NaCl溶液中陽(yáng)極氧化膜層雖然起阻擋層的作用，但Cl-易滲入多孔的氧化鋁膜中，限制了氧化膜層的耐蝕作用[13]。而超疏水膜層對(duì)水溶性介質(zhì)有較強(qiáng)的排斥作用，可抑制cl-在相界面間的傳質(zhì)過(guò)程，有效防止溶液中的cl-滲入膜層，從而提高了鋁片在NaCl溶液中的耐蝕性。
3 .4 .2 電化學(xué)阻抗譜
圖6和圖7分別給出了不同試樣在3.5% Na0溶液中的交流阻抗譜及對(duì)應(yīng)的等效電路國(guó)。其中，如為溶液電阻，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Cdl為雙電層電容，Rc為微孔電阻，Cc為膜層電容[14]，W為Warburg阻抗（反映了離子在界面擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)狀況）。
從圖6可知，未處理鋁片的電荷轉(zhuǎn)移阻抗為37.41kΩ:經(jīng)陽(yáng)極氧化處理的鋁片電荷轉(zhuǎn)移阻抗為65.19 kΩ，同時(shí)等效電路中出現(xiàn)1個(gè)膜的阻抗，這是因?yàn)楸砻嫜趸X膜層作為擴(kuò)散屏障，在一定程度上提高了鋁基的耐蝕性能；經(jīng)硅烷化處理后，電荷轉(zhuǎn)移阻抗增大至161.5 kΩ，在低頻區(qū)出現(xiàn)1個(gè)擴(kuò)散阻抗，這主要是因?yàn)楣柰樵阡X基表面形成超疏水的自組裝膜，該膜形成有效的擴(kuò)散屏障，進(jìn)一步阻礙了鋁基腐蝕過(guò)程中離子的傳遞和轉(zhuǎn)移。
4結(jié)論
采用鋁基表面陽(yáng)極氧化和正辛基三乙氧基硅烷化學(xué)改性相結(jié)合的方法，在鋁基表面制得粗糙的微納米超疏水膜。所得超疏水膜表面接觸角為有效的擴(kuò)散屏障提高了鋁在3 5% NaCl溶液中的耐磨蝕性。
