镁合金腐蚀研究进展(37)—硅烷水解度对水滑石硅烷复合涂层耐蚀性能的影响

    水滑石类化合物(LDH)是一类具有层状结构的无机功能材料。LDH的主体层板化学组成与其层板阳离子性质、层板中间阴离子、阴离子交换量和超分子结构等因素密切相关。镁铝碳酸根型水滑石化学通式为：Mg₆Al₂(OH)₁₆CO₃·4H₂O，具有层间阴离子的可交换性、热稳定性能、组成和结构的可调控性等特点。

    有机硅烷的分子结构式一般为:R-Si(OR)₃(Si-OR为硅烷氧基)。硅烷氧基对无机物具有反应性，也可以与一些有机官能团结合。有机硅烷水解产生的Si-OH一方面可以进行自缩聚形成Si-O-Si网状结构，另一方面能够与水滑石表面的羟基进行结合。因此，Si-OH的浓度势必会影响着有机硅烷与水滑石的结合。

    在本工作中，使用共沉淀-水热法合成在镁合金AZ31上制备出镁铝碳酸根水滑石，再用浸渍法在不同配比的硅烷、乙醇和超纯水的混合溶液（3:20:10, 3:15:15和3:10:20）中制备出水滑石/硅烷改性的复合涂层。

图1 涂层结构示意图

Fig. 1 Schematic representation of the coating formation mechanism of the composite coatings.

    研究发现，3:10:20比例的溶液具有最高的硅烷水解度，对应制备出的LDH/PMTMS-3涂层具有最好的耐蚀性和表面致密性涂层具有超疏水性能，接触角达150.5°，可以有效地隔绝水溶液的侵蚀。而对于另外两种复合涂层（3:20:10, LDH/PMTMS-1涂层和3:15:15, LDH/PMTMS-2涂层），两者表面均不致密，内层水滑石形貌清晰可见，耐腐蚀性相比于LDH/PMTMS-3涂层较差，但比水滑石涂层或者AZ31基体较好。这两种复合涂层也未达到超疏水效果，接触角分别为120.5°和131.5°。因此，LDH/PMTMS-3涂层作为耐蚀涂层实际应用前景。

    该项工作“Corrosion resistance of Mg(OH)₂/Mg–Al-layered double hydroxide coatings on magnesium alloy AZ31: influence of hydrolysis degree of silane”在线发表在《Rare Metals》(2019). https://doi.org/10.1007/s12598-019-01234-1. 第一作者为研究生姚青松，通讯作者为张芬、曾荣昌。

Fig. 2 FE-SEM of (a) LDH coating, (b) LDH/PMTMS-1 coating, (c) LDH/PMTMS-2 coating and (d) LDH/PMTMS-3 coating

Fig. 3 FT-IR spectra of (a) silane solutions: Solution 1 (3:20:10, V/V/V), Solution 2 (3:15:15, V/V/V), Solution 3 (3:10:20, V/V/V); FT-IR spectra of (b) LDH coating, LDH/PMTMS-1 coating, DH/PMTMS-2 coating and LDH/PMTMS-3 coating.

图4 XPS 图谱

Fig. 4 XPS survey scan of (a) LDH/PMTMS-3 coating, (b) Mg peaks, (c) C peaks, (d) O peaks and (e) Si peaks.

图5 极化曲线

Fig. 5 Polarization curves of the (a) AZ31 alloy, (b) LDH coating, (c) LDH/PMTMS-1 coating, (d) LDH/PMTMS-2 coating and (e) LDH/PMTMS-3 coating.

图6 析氢曲线

Fig. 6 (a, b) Hydrogen evolution volume and (a, b) hydrogen evolution rate (HER) as a function of the immersion time for (I) AZ31 alloy, (II) LDH coating, (III) LDH/PMTMS-1 coating, (IV) LDH/PMTMS-2 coating and (V) LDH/PMTMS-3 coating in 3.5 wt. % NaCl solution for 480 h.

Fig. 7 Schematic representation of corrosion mechanism of the composite coatings.