聚吡咯涂層耐腐蝕性能研究

摘要：隨著現階段對質子交換膜燃料電池的研究越來越多，電池中對金屬雙極板表面防護性能的相關研究也漸漸展開。現階段金屬的雙極板表面防護的研究主要是在金屬表面合成防護涂層。文章在摻雜不同離子的溶液中合成聚吡咯涂層，采用極化曲線方式研究不同摻雜陰離子的溶液對聚吡咯涂層抗腐蝕性能的影響。

關鍵詞：燃料電池：聚吡咯涂層；耐腐蝕性能；質子交換膜；金屬雙極板 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM911 文章編號：1009-2374（2016）22-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.005

導電聚合物是20世紀70年代發展起來的一個新的研究領域，在化學電源的電極材料、修飾電極和酶電極、電色顯示等方面有著廣闊的應用前景。現在也常有人將導電聚合物應用于金屬的防護涂層。

導電聚合物聚吡咯由于合成方便、抗氧化性能好，與其他導電聚合物相比，因具有電導率較高、易成膜、柔軟、無毒等優點而日益受到人們關注。現階段研究人員試圖將聚吡咯涂層應用于金屬雙極板的表面防護

涂層。

為了研究合成溶液對得到的聚吡咯涂層的耐腐蝕能力的影響，本文將各種溶液條件下得到的聚吡咯涂層相關數據進行了歸類，對其腐蝕行為進行了測試。

1 極化曲線

圖1（a）為在0.3M HCl水溶液中浸泡1.5小時后1Cr18Ni9Ti不銹鋼（SS）和用各種實驗溶液合成的聚吡咯涂層體系的極化曲線。不銹鋼試樣測試前先在

-1.0Vsce電位下極化5分鐘以去除不銹鋼表面氧化膜。1Cr18Ni9Ti SS的腐蝕電位為-321mVsce，并且在腐蝕電位處有一個明顯的電流峰。而各種涂層系統與之相比，涂層自腐蝕電位都在0mVsce以上，并且沒有電流峰出現，這些結果表明聚吡咯涂層能抑制基材的活性溶解。1Cr18Ni9Ti SS的點蝕電位為210mVsce，聚吡咯涂層明顯地提高了不銹鋼的抗點蝕能力，在十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）水溶液中得到的涂層的點蝕電位超過了900mVsce。

從圖1（b）中可以看到，從有機溶液中制得的聚吡咯涂層的Ein和Ecorr比在水溶液中制得的更高，因此用有機溶劑制得的聚吡咯涂層比用水溶液制得的涂層具有更好的穩定性和耐腐蝕性。這主要是由于吡咯單體在有機溶劑中能更好地溶解，聚合反應時無溶劑副反應

發生。

圖1（c）為在對基材有較好的鈍化能力的草酸和鐵氰化鉀水溶液中制得的聚吡咯涂層的極化曲線。其自腐蝕電流密度分別為23.8μA/cm2和16.0μA/cm2，雖然草酸和鐵氰化鉀水溶液在涂層合成過程中對基材的鈍化作用最好，但在這兩種水溶液中得到的聚合物均勻性較差，在腐蝕性較強的0.3MHCl水溶液，腐蝕介質穿過涂層到達不銹鋼表面能引起金屬表面的鈍化層的快速溶解，在極化曲線中顯示出較大的自腐蝕電流密度。從極化曲線的測試結果來看，鐵氰化鉀對不銹鋼的保護作用比草酸好。

圖1（d）為在陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的水溶液中得到的聚吡咯涂層的極化曲線。與前面討論過的涂層相比，在陰離子表面活性劑SDS和SDBS的水溶液中得到的聚吡咯涂層具有更低的Icorr和更高的Ein。這些結果表明，陰離子表面活性劑的摻雜提高了聚吡咯涂層本身的穩定性及其對基材的保護能力。

上述結果表明，在陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉的水溶液中制得的涂層對基材合具有相對較好的保護作用。

2 自腐蝕電位

為更好地研究不同溶液對涂層耐腐蝕性能的影響，我們檢測其在不同溶液中的自腐蝕電位。

不銹鋼基材和各種涂層/不銹鋼體系在0.3M HCl水溶液中。不銹鋼的自腐蝕電位保持在-300mVsce左右，隨時間變化很小。涂層體系的自腐蝕電位明顯高于基體，但隨腐蝕時間的延長，其腐蝕電位會逐漸下降。涂層體系的自腐蝕電位的下降速度與涂層對腐蝕介質的阻擋作用直接相關，腐蝕介質通過涂層向涂層/金屬界面滲透的速度越快、腐蝕介質對基材表面鈍化層破壞的越嚴重，則涂層體系的自腐蝕電位下降越快。

不銹鋼基材和各種涂層/不銹鋼體系在草酸和鐵氰化鉀水溶液中，與其他涂層體系相比，草酸和鐵氰化鉀水溶液在涂層合成過程中對基材的鈍化沒有提高涂層體系的長期的耐腐蝕性能，這主要還是由于前面提到的這種涂層本身防護性能較差造成的。

不銹鋼基材和各種涂層/不銹鋼體系在有機溶液中得到的聚吡咯涂層的自腐蝕電位的下降速度比從水溶液中得到的涂層慢，因此可知從有機溶劑中得到的聚吡咯涂層比在水溶液中得到的涂層具有更好耐腐蝕性能，與前面的結果一致。

不銹鋼基材和各種涂層/不銹鋼體系在陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的水溶液中。在含有SDS的水溶液中制得涂層的自腐蝕電位在長期浸泡過程中不但沒有下降，還略有升高，這表明其對基材具有更好的長期防護作用。

自腐蝕電位和極化曲線測試結果都表明在陰離子表面活性劑SDS和SDBS的水溶液中得到的涂層能夠為基材提供相對較好的保護，其主要原因是陰離子表面活性劑的摻雜提高了涂層的導電性和穩定性。從浸泡1.5h后的極化曲線測結果看，在SDBS的水溶液中得到的涂層的耐蝕性能好于在SDS的水溶液中得到的涂層，但長期浸泡的結果表明在SDS的水溶液中得到的涂層的長期耐蝕性能好于在SDBS的水溶液中得到的涂層。

3 吡咯和摻雜劑濃度對涂層耐腐蝕性能的影響

為了比較吡咯和SDS濃度及這兩種溶質在溶液中的比例對得到的涂層的耐腐蝕性能的影響，進一步的實驗中選擇了含有不同濃度和不同比例的吡咯和SDS的水溶液進行聚吡咯涂層的電化學合成，在浸泡過程中這些涂層自腐蝕電位隨時間變化的趨勢較為接近，同樣表明涂層的耐腐蝕能力較為接近，與前面極化曲線測試的結果一致。

4 結語

（1）對聚吡咯涂層合成所使用的溶液進行篩選的結果表明，用含有陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）的水溶液制得的涂層具有較好的耐腐蝕性和較高穩定性。在0.3M HCl水溶液中浸泡1.5h后，其Ecorr、Icorr和Ein分別達到30mVsce、0.38μA/cm2和527mVsce；（2）對聚吡咯涂層合成曲線分析和耐腐蝕行為測試的結果表明，SDS不但有助于聚吡咯涂層中聚合鏈規整性和聚合度的提高，而且SDS陰離子的疏水端和聚合物鏈的相互作用能提高涂層的穩定性；（3）SDS對聚吡咯涂層的合成有很好的促進作用，當合成溶液中吡咯的濃度在0.01～0.15M之間，而SDS濃度在0.04～0.4M之間變化時，涂層的耐腐蝕性能可以不受溶質濃度的影響。

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作者簡介：廖翀（1988-），男，江西吉安人，江西省電力設計院工程師，研究方向：電廠熱能與動力工程。

（責任編輯：黃銀芳）