碳钢表面改性ZIFs_氧化合涂层的构筑及耐蚀性能研究.pdf

碳钢表面改性ZIFs/氧化石墨烯基环氧复合涂层的构筑及耐蚀性能研究

摘要

碳钢作为工业、建筑和交通领域的重要结构材料，其腐蚀问题一直是碳钢安全性和

寿命的一个关键挑战。因此，开发有效的碳钢腐蚀防护技术至关重要。其中，自修复防

腐涂层被认为是一种有效的方法。通过在防腐涂层中引入负载缓蚀剂的二维或三维填料，

赋予涂层主动和被动的防腐性能。本研究采用氧化石墨烯（GO）作为环氧树脂（EP）

的二维（2D）增强填料，用于提升环氧涂层的屏蔽性能，并选用沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）

作为EP中的三维（3D）填料以发挥其缓蚀效果。同时，使用不同的缓蚀剂对ZIFs材料

进行改性，以构建二维/三维（2D/3D）结构一体化的改性ZIFs/GO材料，以此作为环氧

树脂的填料制备环氧复合涂层，并研究了复合涂层的耐腐蚀性能、自修复性能与腐蚀防

护机理。主要工作包括以下几个方面：

在GO表面原位生长ZIF-90金属有机骨架，制得ZIF-90/GO。通过在ZIF-90/GO上

锚定环境友好型缓蚀剂4-氨基安替比林（AAP），制备GO基2D/3D复合材料

（ZIF-90-AAP/GO），在碳钢表面制备pH响应型ZIF-90-AAP/GO环氧复合涂层

（ZIF-90-AAP/GO-EP）。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X

射线衍射仪（XRD）和红外光谱（FT-IR）等测试表明ZIF-90-AAP/GO复合材料的成功

制备。SEM结果表明，ZIF-90-AAP大大提高GO在EP中的分散性和相容性。电化学

阻抗谱（EIS）结果表明，ZIF-90-AAP/GO-EP的低频阻抗模值（|Z|0.01Hz）在40天后

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仍能保持1.35×10Ω∙cm，比仅添加GO环氧涂层（GO-EP）的|Z|0.01Hz高约三个数量级。

同时，ZIF-90-AAP/GO-EP还具有优异的自修复性能，归因于ZIF-90-AAP/GO的pH响

应特性，通过pH的变化触发缓蚀剂AAP的快速释放，对碳钢具有有效的腐蚀抑制作用。

通过在GO表面自组装D-组氨酸（D-His）改性的ZIF-8纳米晶体，制备pH响应型

多维复合材料（D-His-ZIF-8/GO），在碳钢表面构筑具有被动与主动腐蚀防护的

D-His-ZIF-8/GO环氧复合涂层（D-His-ZIF-8/GO-EP）。归功于GO片层结构在环氧涂

层中的被动阻隔作用，复合涂层具有的“迷宫效应”可以延长腐蚀介质的扩散路径。此

外，活性D-His-ZIF-8填料还能够赋予涂层良好的主动自修复能力。利用不同表征手段

探究了复合涂层的防腐效果，将D-His-ZIF-8/GO-EP在3.5wt%NaCl溶液中浸泡35天

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后，EIS测试结果表明，|Z|0.01Hz仍能达到1.49×10Ω∙cm，表明D-His-ZIF-8/GO能够

赋予涂层优异的长效防腐能力。

在碳钢表面构筑了GO基铈改性ZIF-67（Ce-ZIF-67/GO）的自修复环氧复合涂层

哈尔滨工程大学硕士学位论文

（Ce-ZIF-67/GO-EP）。通过SEM、TEM、XRD和FT-IR等测试结果表明了铈离子成功

引入ZIF-67中,并且Ce-ZIF-67成功在GO表面生长。通过长期浸泡实验和划痕实验研

究Ce-ZIF-67/GO-EP涂层的耐蚀能力与自修复能力，Ce-ZIF-67/GO-EP在3.5wt%NaCl

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溶液中浸泡35天后，|Z|0.01Hz仍能保持在1.70×10Ω∙cm。此外，Ce-ZIF-67/GO-EP划

痕涂层在3.5wt%NaCl溶液中浸泡12h后，EIS与SEM/EDS