铜、Q235钢表面自组装缓蚀功能膜的研究

论文摘要

自组装成膜（Self-assembled monolayers,SAMs）技术是目前研究得较为广泛的成膜技术之一,它是通过分子自发地化学吸附在固/液或固/气界面,从而形成热力学稳定和能量最低的有序分子体系。因其在室温和常压条件下即可形成,且制备方法简单易行,形成的膜致密有序,使其成为研究表面和界面各种复杂现象（如腐蚀、摩擦、湿润等）、表面电荷分布、电子转移理论等的理想模型体系,也成为了一种方便的成膜方法在工业和生活中具有广泛的应用前景,领域涉及到金属缓蚀、传感器制备、纳米材料科学、生物化学、医学等。特别是在金属腐蚀与防护领域,自组装膜技术已经成为一种新的金属表面修饰技术,发挥着越来越重要的作用。这种通过化学键自发形成的分子膜均匀致密,排列有序,热力学稳定性高,能够防止腐蚀,减小摩擦,对金属表面具有很好的保护作用。金属腐蚀与防护技术是一个对国民经济发展有着重要作用的研究领域。电力和工程中的常用金属如铜和碳钢等,由于它们的化学性质比较活泼,易于遭受环境因素诱发各种局部腐蚀和均匀腐蚀,给工业生产和国民经济造成严重损失,因此对这类金属腐蚀防护的研究颇为迫切和重要。从金属腐蚀与防护的研究角度,选择合适、低毒的有机化合物在铜、钢铁表面进行自组装,并进一步研究各种因素对成膜效果的影响,从而改进自组装实验技术,具有重要的理论指导意义和应用价值。本论文在铜、Q235钢表面制备了具有缓蚀功能的自组装膜,研究了缓蚀剂在金属表面组装后的电化学行为及缓蚀效率,改善实验技术,有效地将金属与外界环境隔离开来,达到对金属腐蚀防护的效果。采用电化学、失重法和表面分析技术（SEM）研究各种成膜因素,例如缓蚀剂浓度、腐蚀介质浓度、pH值等对缓蚀效率的影响,从而寻找到一条较好的自组装成膜途径。1.硫脲及其衍生物在铜表面的自组装膜的研究硫脲（TU）作为一种添加剂广泛应用于金属（如铜、银）的电沉积过程中,另外它也是酸性介质中一种优良的缓蚀剂。为研究金属Cu在NaCl溶液中的腐蚀行为和规律,利用自组装技术在铜表面制备了硫脲及其衍生物烯丙基硫脲的自组装膜,并在中性氯化钠体系中测试了该自组装膜的电化学行为和抗腐蚀能力。电化学测定表明,烯丙基硫脲自组装膜使Cu表面氧化物的形成得到了明显的抑制,对阴极过程也有明显的抑制,并且发现自组装膜的保护性质与外加电位、烯丙基硫脲的浓度和溶液中Clˉ浓度密切相关。SEM观察到烯丙基硫脲的浓度对自组装膜状态有很大影响。2.植酸在Q235钢表面的自组装膜的研究植酸（phytic acid）以其独特的分子结构和物理、化学性能以及无毒等特性,在金属防腐蚀领域中得到了较快发展,其系列产品已在金属防腐蚀中发挥着重要作用,具有广阔的应用前景。为研究金属Q235钢在NaCl溶液中的腐蚀行为和规律,在Q235钢表面制备了植酸的自组装膜和化学转化膜,并用失重法、电化学技术和扫描电子显微镜（SEM）对植酸自组装膜和化学转化膜进行了表征。失重法测得植酸自组装膜在碱性条件下缓蚀效率可达95.3%,其自组装膜和转化膜对Q235钢的电化学行为也有很大的影响,很好地抑制了Q235钢电极电化学溶解,并明显地抑制阴极析氢腐蚀。此外,结合SEM发现溶液pH值、植酸浓度是植酸缓蚀效果的关键因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 背景、现状及意义
• 1.1 自组装技术简介
• 1.1.1 自组装膜的研究概况
• 1.1.2 自组装膜的特征及分类
• 1.2 自组装技术在金属腐蚀与防护领域研究进展
• 1.2.1 国内外研究现状分析
• 1.2.1.1 金属铜上自组装膜的研究
• 1.2.1.2 金属铁上自组装膜的研究
• 1.2.2 发展前景预测
• 1.3 自组装膜的表征技术
• 1.3.1 扫描隧道显微镜
• 1.3.2 X 射线光电子能谱
• 1.3.3 电化学研究
• 1.3.4 扫描电子显微镜
• 1.3.5 红外光谱技术
• 1.4 本论文研究内容，研究目标以及拟解决的关键问题
• 1.4.1 论文的研究内容
• 1.4.2 本论文的研究目标
• 1.4.3 拟解决的关键问题
• 1.5 研究特色与创新之处论述
• 1.6 拟采取的研究方案与技术路线
• 第二章 本论文的实验方法和可行性分析
• 2.1 电极与溶液
• 2.1.1 电极的制备
• 2.1.2 所用的试剂及溶液
• 2.1.3 自组装膜的制备
• 2.2 仪器和实验方法
• 2.2.1 电解池体系
• 2.2.2 电化学交流阻抗测试
• 2.2.3 电化学氧化实验测试
• 2.2.4 极化曲线测试
• 2.2.5 循环伏安曲线测试
• 2.2.6 失重法测试
• 2.2.7 扫描电子显微镜测试（SEM）
• 2.3 实验可行性分析
• 第三章 硫脲及其衍生物在铜表面自组装膜的研究
• 3.1 引言
• 3.2 硫脲及其衍生物自组装膜的制备
• 3.3 硫脲及其衍生物自组装膜的电化学测试
• 3.3.1 硫脲及其衍生物自组装膜的电化学阻抗谱研究
• 3.3.2 烯丙基硫脲（AT）自组装膜的极化曲线和电化学氧化测试
• 3.3.2.1 AT 自组装膜覆盖铜电极在NaCl 中电化学氧化测试
• 3.3.2.2 AT 自组装膜覆盖铜电极在NaCl 中极化行为
• 3.4 硫脲及其衍生物自组装膜SEM 表征
• 3.5 结论
• 第四章 植酸在 Q235 钢表面自组装膜的研究
• 4.1 引言
• 4.2 Q235 碳钢成分与植酸自组装膜的制备
• 4.3 失重法测试植酸自组装膜的缓蚀效率
• 4.4 植酸自组装膜SEM 表征
• 4.5 植酸自组装膜的电化学测试
• corr)的实时监测'>4.5.1 植酸成膜过程中腐蚀电位(E_corr)的实时监测
• 4.5.2 植酸自组装膜的循环伏安（CV）测试
• 4.6 中性条件下植酸化学转化膜
• 4.6.1 中性条件下植酸化学转化膜SEM / EDS 表征
• 4.6.2 中性条件下植酸化学转化膜电化学表征
• 4.7 结论
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 唐丽娜硕士期间研究工作成果