[[alternative]]Iron corrosion inhibition by silicate coating

碩士[[abstract]]本研究主要以溶膠−凝膠 (sol-gel) 法製備有機−無機複合薄膜覆蓋在鐵片上，防止鐵被腐蝕。不同的矽烷氧化物，如TEOS (tetraethoxysilan)、phTrEOS (phenytriethoxysilane)、apTrEOS (3-aminopropyltriethoxysilane) 或TMOS (tetramethylsilan) 經過水解和縮合反應形成矽酸鹽結構，再加入PMMA (polymethylmethacrylate)、聚苯胺或奈米雲母形成有機−無機複合液塗佈在鐵片上，並以120°C熱處理24 h。以FT-IR和NMR光譜觀察溶膠−凝膠反應。以SEM 觀察薄膜形態，看到許多大約100−200 nm的奈米粒子。以苯胺、NMP、TEOS和PMMA製備的薄膜具有最佳的防腐蝕效果。多數的樣品經鹽霧測試超過200 h後其腐蝕面積 ≦ 15％。它們的硬度 ≧ 8H。附著力測試 ≦ 15％的面積脫落。電化學測試也證明被覆薄膜的鐵片，其防蝕效果較未覆膜的鐵片佳。[[abstract]]In this research, sol−gel method is employed for making organic−inorganic composite films to cover the iron surface and prevents the corrosion of Fe by the atmosphere. Hydrolysis and condensation reactions of the alkoxysiliane, such as TEOS (tetraethoxysilane), phTrEOS (phenytriethoxysilane), apTrEOS (3-aminopropyltriethoxysilane) or TMOS (tetramethylsilane), silicate structure was formed. Addition of PMMA (polymethylmethacrylate), PANI (polyaniline) or nano mica, the organic−inorganic composite liquid is coated on the surface of iron plates, which is heat treated at 120°C for 24 h. The sol−gel reactions were followed y the FT-IR and NMR spectra. Nano particles, about 100−200 nm, were observed on the films under an SEM. The solutions prepared by aniline, NMP, TEOS and PMMA show the best anticorrosion effect. Most of the films under the salt spray test (SST) for more than 200 h, the corroded area was ≦ 15%. Their hardness was ≧ 8H and ≦ 15% areas were removed by the adhesion test. Electrochemical analyses also prove the anticorrosion effect caused by the coated films.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要..................................................I 英文摘要.................................................II 謝誌....................................................III 目錄.....................................................IV 表索引...................................................IX 圖索引....................................................X 第一章、 緒論.............................................1 1-1 腐蝕概述..............................................1 1-1-1 腐蝕的原理..........................................1 1-1-2 腐蝕熱力學..........................................3 1-1-3 腐蝕動力學..........................................4 1-2 被覆防腐蝕原理與背景..................................5 1-2-1 被覆防蝕的原理與方法................................5 1-2-2 被覆防蝕的背景......................................9 1-3 溶膠−凝膠法概述......................................14 1-3-1 何謂溶膠(sol)、凝膠(gel)...........................14 1-3-2 溶膠−凝膠法的反應原理..............................16 1-3-3 溶膠−凝膠法的歷史背景與演進........................19 1-3-4 溶膠−凝膠法製備有機−無機複合材料的背景.............20 1-3-5 水與矽烷氧化物的莫耳比例(R value)的影響............21 1-3-6 溶劑對溶膠−凝膠反應的影響..........................22 1-3-7 催化劑與酸、鹼性質對溶膠−凝膠反應的影響............23 1-4 電化學的應用與原理..................................24 1-4-1 電化學的應用.......................................24 1-4-2 電化學的原理.......................................25 1-5 研究動機.............................................28 第二章、 實驗............................................29 2-1 藥品.................................................29 2-2 鐵片的前處理.........................................29 2-3 實驗方法.............................................30 2-3-1 第一部分-水解液系統................................30 2-3-1-1 水解液系統−改變苯胺含量系列......................30 2-3-1-2 水解液系統−水解液含量系列........................31 2-3-2 第二部份−苯胺、TEOS、NMP、PMMA系統.................31 2-3-2-1 第二部份−苯胺含量系列............................31 2-3-2-2 第二部份−PMMA含量系列............................32 2-3-2-3 第二部份−NMP含量系列.............................33 2-3-2-4 第二部份−TEOS含量系列............................34 2-3-3 第三部份−TEOS取代基的改變系統......................34 2-3-3-1 第三部份−以phTrEOS取代TEOS.......................34 2-3-3-2 第三部份−以apTrEOS取代TEOS.......................35 2-3-3-3 第三部份−以TMOS取代TEOS..........................35 2-3-4 第四部份−添加物系統................................35 2-3-4-1 第四部份−添加聚苯胺(PANI)系列....................35 2-3-4-2 第四部份−添加奈米雲母系列........................36 2-4 儀器.................................................37 2-4-1 鹽水噴霧測試.......................................37 2-4-2 附著力刮刀測試.....................................38 2-4-3 鉛筆式硬度測試.....................................39 2-4-4 溶液黏度測量.......................................40 2-4-5 薄膜厚度測量.......................................41 2-4-6 紅外線光譜分析(FT-IR)..............................42 2-4-7 掃描式電子顯微鏡(SEM)..............................42 2-4-8 熱重分析(TGA)......................................42 2-4-9 核磁共振儀(NMR)....................................42 2-4-10 電化學分析........................................43 第三章、 結果與討論......................................45 3-1 第一部分－水解液系統.................................45 3-1-1 水解液系統−苯胺含量系列............................45 3-1-1-1 第一部份−苯胺含量系列的SEM圖譜...................46 3-1-1-2 第一部份−苯胺含量系列之鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力的測試比較...........................................47 3-1-1-3 第一部份−苯胺含量系列之結論......................49 3-1-2 水解液系統−水解液含量系列..........................50 3-1-2-1 第一部份−水解液含量系列的SEM圖譜.................50 3-1-2-2 第一部份−水解液含量系列之鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力測試的比較.........................................52 3-1-2-3 第一部份-水解液含量系列之結論....................54 3-2 第二部份−苯胺、NMP、TEOS、PMMA系統...................54 3-2-1 苯胺、NMP、TEOS、PMMA系統−苯胺含量系列.............54 3-2-1-1 第二部份−苯胺含量系列的SEM圖譜...................55 3-2-1-2 第二部份−苯胺含量系列鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力的比較.................................................57 3-2-1-3 第二部份−苯胺含量系列之結論......................59 3-2-2 第二部份−NMP含量系列...............................59 3-2-2-1 第二部份−NMP含量系列的SEM圖譜....................60 3-2-2-2 第二部份−NMP含量系列鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力的比較...................................................61 3-2-2-3 第二部份−NMP含量系列之結論.......................63 3-2-3 第二部份−TEOS含量系列..............................63 3-2-3-1 TEOS含量系列SEM圖譜..............................64 3-2-3-2 TEOS含量系列鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力的比較.......................................................65 3-2-3-3 第二部份−TEOS含量系列之結論......................67 3-2-4 第二部份−PMMA含量系列..............................67 3-2-4-1 PMMA含量系列SEM圖譜..............................68 3-2-4-2 PMMA含量系列鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力的比較.......................................................69 3-2-4-3 PMMA含量系列的薄膜厚度與塗佈次數的SST比較........71 3-2-4-4 FT-IR光譜圖−PMMA含量系列.........................73 3-2-4-5 第二部份−PMMA含量系列之結論......................76 3-3 第三部份−TEOS取代基改變系列..........................77 3-3-1 以phTrEOS、apTrEOS和TMOS取代TEOS系列...............77 3-3-2 以phTrEOS、apTrEOS與TMOS取代TEOS系列的SEM圖譜......77 3-3-3 第三部份−改變取代基系列的鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力的比較...............................................79 3-3-4 第三部份−TEOS取代基改變系列之結論..................80 3-4 第四部份−加入添加物系列..............................81 3-4-1 聚苯胺(PANI)的添加.................................81 3-4-1-1 添加PANI系列的SEM圖譜............................81 3-4-1-2 添加PANI系列鹽水噴霧測試(SST)、硬度與附著力的比較.......................................................83 3-4-1-3 第四部份−添加PANI系列之結論......................85 3-4-2 奈米雲母的添加.....................................85 3-4-2-1 添加奈米雲母系列鹽水噴霧測試、硬度與附著力的比較.......................................................85 3-4-2-2 第四部份−添加奈米雲母系列之結論..................87 3-5 電化學、NMR、TGA的測量...............................88 3-5-1 電化學測試.........................................88 3-5-1-1 開放電路電位(Open Circuit Potential).............88 3-5-1-2 極化曲線測量-Tafel plot..........................90 3-5-2 NMR測量............................................92 3-5-3 熱重分析...........................................96 第四章、 結論...........................................100 參考資料................................................101 表索引 表1.1、 溶膠−凝膠被覆薄膜之抗腐蝕相關文獻....................................8 表1.2、 溶膠−凝膠法常見的起始原料…………………………….….19 表2.1、 使用藥品之整理………………………………………………29 表2.2、 含水系統−苯胺含量系列溶液的各種成分表……………..…30 表2.3、 含水系統−水解液系列溶液的各種成分表…….........31 表2.4、第二部份−苯胺含量改變系列的組成表………………….…..32 表2.5、第二部份−PMMA含量改變系列的組成表………………….32 表2.6、不同的塗佈方式、塗佈次數、烘乾溫度與烘乾時間表…….33 表2.7、第二部份−NMP含量改變系列的組成表…………………….34 表2.8、第二部份−TEOS含量改變系列的組成表…………………….34 表2.9、添加聚苯胺系列的組成表……………………………………..36 表2.10、添加奈米雲母系列的組成表…………………………………36 表2.11、附著力測試結果分類表……………………………………....38 表3.1、第一部份−苯胺含量系列的起始物含量表……………………46 表3.2、第一部份−苯胺含量系列的SST、硬度與附著力的關係……...48 表3.3、第一部份−水解液含量系列的起始物含量表…………………50 表3.4、水解液系列-水解液含量的粒徑、SST、硬度與附著力關係…53 表3.5、第二部份−苯胺含量系列的起始物含量表……………………55 表3.6、苯胺含量系列的粒徑大小、SST、硬度與附著力的關係……58 表3.7、第二部份−NMP含量系列的起始物含量表…………………..60 表3.8、NMP含量系列的粒徑大小、SST、硬度與附著力的關係……62 表3.9、第二部份−TEOS含量系列的起始物含量表…………………..64 表3.10、TEOS含量系列的粒徑大小、SST、硬度與附著力的關係…66 表3.11、第二部份−PMMA含量系列的其他成分含量表……………..68 表3.12、PMMA含量系列的SST、硬度與附著力的關係………….70 表3.13、00N樣品塗佈次數與薄膜厚度的SST關係………………..71 表3.14、改變的取代基系列的成分組成表……………………………77 表3.15、改變取代基系列的SST、硬度與附著力測試關係………….80 表3.16、添加PANI系列的成分組成表……………………………….81 表3.17、添加PANI系列的粒徑大小、SST、硬度與附著力的關係..84 表3.18、添加奈米雲母系列的成分組成表……………………………85 表3.19、添加奈米雲母系列的SST、硬度與附著力測試關係……….86 表3.20、各系列代表與溶液編號………………………………………88 表3.21、各系列代表的Eocp值…………………………………………90 表3.22、各系列代表的電化學參數…………………………………….91 表3.23、系列樣品熱重分析裂解溫度範圍與損失重量……………….99 圖索引 圖1.1、浸漬塗佈法的流程圖...................................................................6 圖1.2、旋轉塗佈法流程圖………………………………………………7 圖1.3、溶膠−凝膠法的水解反應………………………………………17 圖1.4、溶膠−凝膠法的縮合反應………………………………………18 圖1.5、溶膠−凝膠法的兩種乾燥方法示意圖…………………………18 圖1.6、不同催化劑對於反應形成結構的影響……………………….24 圖1.7、Tafel plot………………………………………………………..27 圖2.1、SH-90型鹽水噴霧試驗機…………………………………….37 圖2.2、型號JL 1540刮刀………………………………………………38 圖2.3、鉛筆式硬度計………………………………………………….39 X 圖2.4、振動式黏度儀………………………………………………….40 圖2.5、磁性、電感應式膜厚儀與探針……………………………….41 圖2.6、電化學測試電極裝置………………………………………...…44 圖3.1、00J樣品薄膜的50,000倍SEM圖譜…………………………46 圖3.2、00M樣品薄膜的50,000倍SEM圖譜………………………..47 圖3.3、00L與00K分別經過21 h和10 h的腐蝕情況………………48 圖3.4、00J與00M分別經過24 h和5 h的腐蝕情況………………..49 圖3.5、00P經過19 h的腐蝕情況……………………………………..49 圖3.6、00T樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜…………………………51 圖3.7、00R樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜…………………………51 圖3.8、00J樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜………………………….52 圖3.9、00J與00R分別經過24 h和66 h的腐蝕情況…………………53 圖3.10、00T經過65 h的腐蝕情況…………………………………54 圖3.11、00V樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜…………………….55 圖3.12、00Q樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜…………………….56 圖3.13、00W樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜…………………….56 圖3.14、00X樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜………………………57 圖3.15、00V與00Q分別經過43 h和66 h的腐蝕情況……………58 圖3.16、00W與00X分別經過29 h和20 h的腐蝕情況…………...59 圖3.17、00N樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜……………………...60 圖3.18、0AB樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜……………………...61 圖3.19、00N與0AD分別經過163 h和144 h的腐蝕情況………62 圖3.20、0AC與0AB分別經過110 h和40 h的腐蝕情況………….63 圖3.21、00N樣品薄膜的50,000倍SEM圖譜………………………64 圖3.22、0AR樣品薄膜的50,000倍SEM圖譜……………………...65 圖3.23、00N與0AR分別經過164 h和62 h的腐蝕情況…………….66 圖3.24、0AT與0AU分別經過46 h和24 h的腐蝕情況…………….67 圖3.25、00O樣品薄膜的50,000倍SEM圖譜………………………..68 圖3.26、00N樣品薄膜的50,000倍SEM圖譜………………………69 圖3.27、00S樣品薄膜的100,000倍SEM圖譜……………………..69 圖3.28、00O與00I分別經過45 h和30 h的腐蝕情況……………..72 圖3.29、0AP與00N分別經過95 h和163 h的腐蝕情況……………72 圖3.30、00S經過141 h的腐蝕情況………………………………….72 圖3.31、鐵片編號103-1與103-2分別經過132 h和158h的腐蝕情況………………………………………………………………………..73 圖3.32、鐵片編號041經過163 h的SST腐蝕情況…………….…..73 圖3.33、00N溶液隨時間變化的FT-IR光譜圖………………………75 圖3.34、前兩式是－OH基與－OC2H5基的縮合反應，第三式是Si─O─Si交聯形成網狀結構的反應…………………………………..76 圖3.35、0AM樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜………………….….78 圖3.36、0AN樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜……………………...78 圖3.37、0AV樣品薄膜的30,000倍SEM圖譜………………………79 圖3.38、0AM與0AN分別經過19 h和24 h的腐蝕情況…………..80 圖3.39、0AV經過24 h的腐蝕情況……………………………….….80 圖3.40、00Z樣品薄膜的10,000倍SEM圖譜……………………….82 圖3.41、00Y樣品薄膜的10,000倍SEM圖譜………………………82 圖3.42、0AH與0AE分別經過22 h和67 h的腐蝕情況………..…84 圖3.43、00Z與00Y分別經過20 h和20 h的腐蝕情況…………….84 圖3.44、0AL與0AK分別經過47 h和87 h的腐蝕情況…………...87 圖3.45、0AI與0AJ分別經過19 h和19 h的腐蝕情況…………….87 圖3.46、各系列代表的開放電路電位圖譜…………………………….89 圖3.47、各系列代表的Eocp值比較……………………………………89 圖3.48、各系列代表的極化曲線圖……………………………………91 圖3.49、個系列代表的腐蝕電位、電流趨勢圖……………………...92 圖3.50、第一部份-水解液含量系列00T的NMR-29Si光譜圖……...93 圖3.51、第二部份-NMP含量系列0AC的NMR-29Si光譜圖……....94 圖3.52、第二部份-TEOS含量系列0AR的NMR-29Si光譜圖….….94 圖3.53、第二部份-PMMA含量系列00N的NMR-29Si光譜圖……95 圖3.54、第三部份-phTrEOS取代系列0AM的NMR-29Si光譜圖…95 圖3.55、第三部份-TMOS取代系列0AV的NMR-29Si光譜圖….…96 圖3.56、不同系列樣品薄膜的TGA圖譜……………………….……97 圖3.57、系列樣品TGA圖譜的一次微分………………………….....98[[note]]學號: 694170316, 學年度: 9