建筑45钢结构表面超疏水结构的制备及其耐蚀性能分析

王 萃，刘传辉

(1. 南充职业技术学院土木与建筑工程系，四川 南充 637700；2. 湖南工学院建筑工程与艺术设计学院，湖南 衡阳 421001)

0 前 言

45钢是一种优质碳素结构钢，作为一种力学强度高、耐疲劳、易加工的钢材，目前已成为建筑结构等领域的重要应用材料。但45钢处于潮湿环境中尤其是受到海水腐蚀作用时较易发生表面破坏，并且形成的腐蚀产物还会对周边环境造成污染，同时引起一定的经济损失，这就要求开发一种能够有效保护45钢的方法来避免其表面发生腐蚀破坏[1，2]。刘为凯等[3]根据 “荷叶原理”制备了一种超疏水涂层来实现对材料的表面改性功能，结果发现这种超疏水涂层具备优异的耐腐蚀和自清洁性能，同时还可以实现油水分离。根据前期学者的研究[4-6]可知，在金属表面制备双尺寸微/纳米结构可以获得超疏水性能。

利用人工方法制备超疏水表面时需实现2个基本条件，首先应制备得到粗糙表面结构，其次还需达到低表面能状态。到目前为止，制备超疏水表面的方法主要包括以下2种：(1)选择疏水材料作为基材并制备得到双尺寸微/纳米结构；(2)以低表面能成分实现对粗糙表面的改性[7，8]。随着超疏水表面制备技术的不断进步，目前已有许多学者按照以上2种工艺方法开发了多种表面处理技术，包括溶胶 - 凝胶、表面腐蚀、蚀刻加工等[9]。Liu等[10]采用机械方法处理金属试样表面并添加纳米SiO2作为增强颗粒，从而在金属表面制得了微 - 纳米双微观结构超疏水膜，对该膜层进行测试发现其表面接触角超过了173°。Sarka等[11]分别在单质铝、单晶硅基材表面进行了测试，利用电化学沉积制备得到由氟化烃、碳氢化合物共同组成的沉积结构，获得了大于150°的接触角。Kang等[12]选择静电纺丝方法处理了不同纤维的表面使其获得超疏水性能。

也有学者采用电沉积方法在金属表面制备超疏水结构，该方法的工艺步骤较简单，生产成本低，并且可以通过控制电流和电压来制备特定尺寸外形的沉积颗粒[13]。本工作选择一步快速电沉积工艺在45钢表面制备得到超疏水结构，同时采用动电位极化以及阻抗测试法评价了试样表面膜层的耐蚀能力。

1 试 验

1.1 仪器和试剂

以45钢作为工作电极，并分别配制各浓度的硬脂酸 - 乙醇电解质溶液，同时在该溶液中加入一定量的苯三腈。搅拌使其完全溶解并定容到设定的体积。配制质量分数为3.5%的NaCl溶液作为试样表面的腐蚀溶液，最后评价了超疏水膜的耐蚀性能。

1.2 试验方法

用不同型号的砂纸打磨45钢表面，再通过机械抛光处理得到镜面结构，之后将其浸入丙酮中进行超声清洗，使油污被充分去除，同时利用去离子水清洗试样表面并充分晾干待用。以二电极结构进行电沉积，以45钢为阳极，铂片为对电极。对比测试不同成分电解液、沉积电位以及反应时间对45钢进行表面改性的影响。

采用JC2000C表面接触角仪测定了抛光后的45钢及电沉积制得的45钢电极表面的接触角。每次测试的去离子水体积为2 mL，总共测试了45钢试样表面的3个区域，每个区域测试5个点的接触角，取平均值作为测试结果。

通过Mira3LMH型扫描电镜观察了试样的显微组织。通过动电位极化以及阻抗测试法表征了45钢超疏水膜的耐蚀特性。电化学测试在三电极体系中进行，以表面改性后的45钢作为工作电极，铂片作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，质量分数为3.5%的NaCl溶液作为电解质溶液。将超疏水45钢浸入3.5%NaCl溶液内持续处理1 h，使其达到稳定的开路电位(EOCP)。采用CHI660A型电化学工作站进行试样的电化学腐蚀测试。

2 结果与讨论

2.1 参数优化

2.1.1 电解液组成优化

首先测试超疏水45钢在不同组成的电解液中的表面组织结构。各电解液组成见表1，图1所示为采用不同电解液制得的45钢电极试样疏水性测试结果。

表1 电解液组成

图1 不同电解液制得的45钢电极试样的接触角和滚动角

分析图1可知，在电解液中加入苯三腈后，45钢电极试样的接触角先增大后减小，同时滚动角先减小后增大。苯三腈含量达到40 mg/L时，试样的接触角为158°，为最大值，此时滚动角降低至3°，为最小值。说明此时苯三腈已转变成了聚合物膜，形成了更加粗糙的表面结构。继续提高苯三腈的加入量后，形成了更加平整的表面结构。上述测试结果表明，试验中以 0.05 mol/L硬脂酸与40 mg/L苯三腈组成的混合液作为电解液时形成的超疏水膜层性能最佳。

2.1.2 电沉积电压优化

图2所示为不同电压下制备的45钢电极试样疏水性测试结果。由图2可知，逐渐增大电沉积电压的过程中，接触角表现出先升高再下降的变化趋势，同时滚动角表现出先降低后升高的变化趋势。当沉积电压由1.0 V上升到8.0 V时，接触角从最初的142.0°增大到了154.0°，而滚动角由9.4°降低到了5.6°。之后当电沉积电压继续从8 V升高为10 V的时候，接触角降低到152.0°，滚动角增加到6.1°。在低电压条件下进行沉积时，45钢电极表面并未发生较大程度的蚀刻，无法形成理想的微纳结构。而当电沉积电压太高时，会出现表面微纳分级结构坍塌的情况，从而使接触角减小。试验过程中将电沉积电压设定在8 V时制备得到超疏水性能最优的45钢电极。

图2 不同电沉积电压下制得的45钢电极试样的接触角和滚动角

2.1.3 电沉积时间优化

图3为在8 V电压下不同电沉积时间时采用0.05 mol/L硬脂酸、40 mg/L苯三腈共同组成的电解液进行电沉积处理形成的45钢电极试样的接触角和滚动角。通过分析发现，随着电沉积时间增加，接触角呈现先增大再下降的变化趋势，同时滚动角表现出先降低后升高的变化趋势。当腐蚀时间达到2 h时，接触角与滚动角分别为146.5°与8.3°；腐蚀时间达到12 h时，接触角为154.0°，并且滚动角减小到了5.7°。45钢表面经过短时间电沉积处理后，表面结构更加粗糙，但并未生成微钠结构。随着电沉积时间的延长，产生了粗糙度更大的微纳组织，当时间达到12 h时，生成了粗糙度较大的超疏水表面。继续延长电沉积时间后，试样的接触角变小，同时滚动角增大，说明电沉积时间为12 h时形成的超疏水膜性能最佳。

图3 不同电沉积时间下制得的45钢电极试样的接触角和滚动角

2.2 组织分析

综上确定最优工艺为电解液组成采用0.05 mol/L硬脂酸、40 mg/L苯三腈共同组成，电沉积电压为8 V，电沉积时间取12 h。下面以最优工艺制备试样，并分析试样的组织及耐腐蚀性。

图4是对45钢电极和超疏水膜进行接触角测试的结果。由图4可知，经过抛光处理的45钢形成了较为亲水的表面。按照本试验最佳工艺对45钢电极进行电沉积可以获得较大的疏水角，该结果表明利用本试验工艺参数可以制得超疏水性能优异的45钢电极表面。

图5为45钢及超疏水表面的微观形貌。由图5可知，处理前的45钢电极表面形态较平滑，只观察到了抛光过程中留下的细小划痕。当45钢试样经过表面超疏水处理后，产生了外形和分布形态均匀的突起组织，同时也可以观察到凹坑结构。形成了上述微纳米分级结构后，45钢电极形成了更粗糙的表面。由于微纳米分级结构中存在空隙，当水滴接触到超疏水表面后，只在突起尖端部位滚动。

图5 45钢与超疏水表面的微观形貌

2.3 耐腐蚀性分析

在3.5%NaCl溶液中测试45钢超疏水表面的动电位极化曲线，结果见图6。结果显示，对45钢电极进行表面超疏水处理后，自腐蚀电位也明显升高，表明当45钢形成超疏水表面后可以获得更强的对3.5%NaCl溶液的耐蚀能力。阳极和阴极的腐蚀电流均显著减小，说明对45钢超疏水改性后能够同时改善阳极和阴极的耐蚀性。通过Tafel外推法分析极化曲线得到表2所示的各项参数。

图6 45钢与超疏水表面的极化曲线

根据表2测试结果可知，超疏水处理使45钢电极的自腐蚀电位升高，自腐蚀电流密度下降，说明对45钢电极进行超疏水处理可以提高其耐蚀性。根据表2给出的电极Tafel斜率可知，修饰前后的电极耐蚀性能参数未发生明显变化，因此可认为腐蚀作用机制在修饰前后保持一致，此时自腐蚀电流密度减小是由于超疏水电极表面活性位点数量减少。

表2 极化曲线参数

3 结 论

(1)通过测定接触角和滚动角分析确定最优工艺为采用0.05 mol/L硬脂酸、40 mg/L苯三腈作为电解液，电沉积电压为8 V，电沉积时间取10 h。

(2)对45钢试样表面进行超疏水处理后，形成了许多外形尺寸与分布形态均匀的突起，得到了表面更为粗糙的45钢。

(3)对45钢进行超疏水处理后获得了更高的自腐蚀电位和更低的自腐蚀电流密度，对3.5%NaCl溶液产生了更强的耐蚀能力。